CN103484889B - 一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法 - Google Patents

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本发明涉及一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，属于石墨烯技术领域。在高温高电压下，石墨与周围溶液之间产生蒸汽气体层，该气体层的蒸发粒子经高电压解离从而产生放电等离子体，使原料熔化、蒸发，蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反应从而形成石墨烯纳米颗粒。本发明较常规方法，反应快捷，生产安全，绿色环保。

Description

一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法
技术领域
本发明一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，属于石墨烯技术领域。
背景技术
石墨烯是由单层碳原子相互连接构成的一种六方点阵蜂巢状二维单层晶体结构。从2004年英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯到现在，不到十年的时间，科学家发明了“机械剥离法”、“外延晶体生长”、“石墨烯氧化物还原法”、“化学气相沉积法”等各种制备石墨烯的方法。其中机械剥离法虽然能够获得高质量的石墨烯，但是难以获得大面积的石墨烯材料，不能用于大规模的生产中；由于SiC晶体结构表面较为复杂，采用外延生长法制备条件苛刻且制得的石墨烯难以从衬底上分离出来，所以不易制备大面积、厚度均一的石墨烯；石墨烯氧化物还原法成本较低，但是石墨烯的电子结构以及晶体的完整性都受到氧化剂的破坏，而且制备过程中产生较严重的环境污染；化学气相沉积法可以制备优异的石墨烯，但工艺不成熟以及较高的成本导致其应用受到限制。目前，石墨烯材料的制备方法与控制、结构与物性调控、器件加工与特性等问题，是科学家着重研究的领域。传统的制备方法均难以提供结构和组成精密可控的石墨烯纳米材料，无法满足在微电子和纳米光学器件等方面的需求。如何制备大面积、杂质缺陷可控的高质量单晶石墨烯材料成为石墨烯研究者亟待解决的问题。
CN 102674322A 公开了一种火花等离子体制备微米石墨粉的方法，所述火花等离子体放电电压为1-20 KV，电流为1-200 A，脉冲为10-1000 ns，反应累计时间为0.1-100 h，反应条件为温度10-500 ℃。但是与本发明的机理不同，最大的不同就是本发明直接采用石墨作为阳极，利用等离子体对石墨表面作用，使原料熔化、蒸发，蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成石墨烯纳米颗粒。
本发明方法较常规方法，设备简单，操作方便，反应快捷，绿色环保。其中等离子体是一种由大量的带相同电荷的正负粒子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态。通常由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，形成高势能、高动能的等离子态原子物质。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供在于提供一种绿色、高效利用等离子体制备高质量少层石墨烯粉末的方法，该方法方便快捷、简易安全、绿色环保。
按照本发明提供的技术方案，一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，所述制备方法步骤如下：
   （1）溶液配比：以不锈钢为阴极，以洁净干燥的石墨为阳极，将石墨装在等离子抛光机上的挂具上；配制重量百分含量为2%-5%的中性水溶液，并将溶液加热至60-95℃；
       （2）电解：将步骤（1）所配制的中性水溶液转移至等离子体发生容器内，挂具上的石墨待接通电源后慢慢浸入溶液中，产生的等离子体作用于石墨表面，得到含有石墨烯的溶液；
   （3）后处理：将步骤（2）所得含有石墨烯的溶液以3500-4500 r/min的速度离心4-6 min，分离得到黑色粉末，加水配置成石墨烯悬浮液，水与石墨烯质量比为100：1-5，然后在140-160 w功率下超声110-130 min；过滤后用去离子水洗涤3次；将所得粉末在50-70 ℃的烘箱中干燥3-5 h处理后，得到产品石墨烯粉末。
所述石墨形状为棒状或片状。所述中性水溶液为铵盐、钾盐和水的混合物。所述铵盐为（NH4）2SO4、NH4HCO3或NH4Cl中的一种或几种的混合物。所述钾盐为KCl、K2SO4或K2CO3中的一种或几种的混合物。
本发明所述（NH4）2SO4、NH4HCO3、NH4Cl、KCl、K2SO4、K2CO3均可通过市售或现有技术制备得到，并无特殊限制。另外，本发明对药品的纯度也无特殊要求，选用常规纯度即可。
本发明所述中性水溶液中，铵盐（（NH4）2SO4、NH4HCO3、NH4Cl）的作用是促使石墨表面产生蒸汽气体层；钾盐（KCl、K2SO4、K2CO3）的作用是作为电解质在石墨表面产生等离子体放电。
本发明所述中性溶液，按质量浓度计包括如下组分：铵盐（（NH4）2SO4、NH4HCO3、NH4Cl）0.5-5%，钾盐（KCl、K2SO4、K2CO3）0.2-3%，其余为水。
按质量浓度计优选包括如下组分：铵盐（（NH4）2SO4、NH4HCO3、NH4Cl）    1-4%，钾盐（KCl、K2SO4、K2CO3）0.5-2%，其余为水。
本发明所述中性溶液加热至60-95℃，优选70-90℃，最优80-90℃。
利用等离子体发生器，将作为阳极的石墨浸没在液体中，在高温高电压下，石墨与周围溶液之间产生蒸汽气体层，该气体层的蒸发粒子经高电压解离从而产生放电等离子体，使原料熔化、蒸发，蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成石墨烯纳米颗粒。所述等离子体发生器的放电电压为270-320 V，电流为3-5 A，反应累计时间为20-1200 s。
本发明的有益效果：本发明所使用的中性水溶液均为低浓度的中性盐溶液，挥发性低，对工作人员无伤害，对环境友好，并且成本非常低。本发明方法较常规方法，设备简单，操作方便，反应快捷，绿色环保。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明实施例1中获得的少层石墨烯的拉曼光谱图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1  一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，所述制备方法步骤如下：
   （1）溶液配比：以不锈钢为阴极，以洁净干燥的石墨为阳极，将石墨装在等离子抛光机上的挂具上；配制盛有质量浓度为2.5%的硫酸铵溶液，并将溶液加热至80 ℃；所用碳棒直径为0.6 cm，碳含量为99.9 wt%；
       （2）电解：将步骤（1）所配制的硫酸铵溶液转移至等离子体发生容器内，所述等离子发生器为10 L容量的不锈钢桶，挂具上的石墨待接通电源后慢慢浸入溶液中，产生的等离子体作用于石墨表面，得到含有石墨烯的溶液；
产生等离子体的电压为280 V，电流为4 A左右，反应累计时间为1200 s；
   （3）后处理：将步骤（2）所得含有石墨烯的溶液以3500 r/min的速度离心6 min，分离得到黑色粉末，加水配置成石墨烯悬浮液，水与石墨烯质量比为100：1，然后在140 w功率下超声130 min；过滤后用去离子水洗涤3次；将所得粉末在50℃的烘箱中干燥5 h处理后，得到产品石墨烯粉末。
制备所得产品少层石墨烯的拉曼光谱图如图2所示。
实施例2  一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，所述制备方法步骤如下：
   （1）溶液配比：以不锈钢为阴极，以洁净干燥的石墨为阳极，将石墨装在等离子抛光机上的挂具上；所用碳片规格为15 cm×1 cm×0.3 cm，碳含量为99.9 wt%；配制重量百分比计为2.5%的氯化铵和2%的氯化钾混合水溶液，并将溶液加热至95℃；
       （2）电解：将步骤（1）所配制的中性水溶液转移至等离子体发生容器内，体积为8 L，挂具上的石墨待接通电源后慢慢浸入溶液中，产生的等离子体作用于石墨表面，得到含有石墨烯的溶液；
产生等离子体的电压为300 V，电流为4.5 A左右，反应累计时间为60 s；
   （3）后处理：将步骤（2）所得含有石墨烯的溶液以4500 r/min的速度离心4 min，分离得到黑色粉末，加水配置成石墨烯悬浮液，水石墨烯质量比为100： 5，然后在160 w功率下超声110 min；过滤后用去离子水洗涤3次；将所得粉末在70℃的烘箱中干燥3 h处理后，得到产品石墨烯粉末。
实施例3  一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，所述制备方法步骤如下：
   （1）溶液配比：以不锈钢为阴极，以洁净干燥的石墨为阳极，将石墨装在等离子抛光机上的挂具上；所用碳片规格为11 cm×7 cm×0.5 cm，碳含量为99.9 wt%；配制重量百分比计为3 %的氯化铵溶液，并将溶液加热至60℃；
       （2）电解：将步骤（1）所配制的中性水溶液转移至等离子体发生容器内，所述等离子发生器为10 L容量的不锈钢桶，挂具上的石墨待接通电源后慢慢浸入溶液中，产生的等离子体作用于石墨表面，得到含有石墨烯的溶液；
产生等离子体的电压为300 V，电流为4.5 A左右，反应累计时间为600 s
  （3）后处理：将步骤（2）所得含有石墨烯的溶液以4000 r/min的速度离心5min，分离得到黑色粉末，加水配置成石墨烯悬浮液，水石墨烯质量比为100：3，然后在150 w功率下超声120 min；过滤后用去离子水洗涤3次；将所得粉末在60℃的烘箱中干燥4 h处理后，得到产品石墨烯粉末。

Claims (6)

1.一种大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，其特征是：所述制备方法步骤如下：
   （1）溶液配比：以不锈钢为阴极，以洁净干燥的石墨为阳极，将石墨装在等离子抛光机上的挂具上；配制溶质重量百分含量为2%-5%的中性水溶液，并将溶液加热至60-95℃；
    （2）电解：将步骤（1）所配制的中性水溶液转移至等离子体发生容器内，挂具上的石墨待接通电源后慢慢浸入溶液中，产生的等离子体作用于石墨表面，得到含有石墨烯的溶液；
   （3）后处理：将步骤（2）所得含有石墨烯的溶液以3500-4500 r/min的速度离心4-6 min，分离得到黑色粉末，加水配置成石墨烯悬浮液，水与石墨烯质量比为100：1-5，然后在140-160 w功率下超声110-130 min；过滤后用去离子水洗涤3次；将所得粉末在50-70 ℃的烘箱中干燥3-5 h处理后，得到产品石墨烯粉末；
所述中性水溶液为铵盐、钾盐和水的混合物。
2.如权利要求1大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，其特征是：所述石墨形状为棒状或片状。
3.如权利要求1大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，其特征是：所述铵盐为（NH4）2SO4、NH4HCO3或NH4Cl中的一种或几种的混合物。
4.如权利要求1大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，其特征是：所述钾盐为KCl、K2SO4或K2CO3中的一种或几种的混合物。
5.如权利要求1大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，其特征是：所述中性溶液按质量浓度计如下：铵盐0.5%-5%，钾盐0.2%-3%，其余为水。
6.如权利要求1 大量制备高质量少层石墨烯粉末的方法，其特征是：所述等离子体发生容器：采用桶状不锈钢容器，产生等离子体的放电电压为270-320 V，电流为3-5 A，反应累计时间为20-1200 s。
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