CN103950925A - 一种纳米级石墨片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于:采用电阻直热式制备方法，以铜为催化剂，钼舟为加热原件，通过碳源气体热解出碳原子，碳原子在熔融铜表面进行表面吸附和表面扩散反应，制备得到纳米级石墨片。与传统的方法相比，本发明避免了强酸强氧化剂的使用对环境造成的污染，电阻直热式制备方法可以显著地提高制备的速率，提高了产率；操作简单，可以连续大量地制备纳米级石墨片。所得产物缺陷少，石墨化程度高，可以广泛地应用到超级电容器，场发射材料及锂离子电池等诸多领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米级石墨片的制备方法，属于纳米碳材料研究领域。
背景技术
由于纳米石墨片具有优异的化学稳定性、耐腐蚀、良好的机械性能及场发射性能，在许多领域有着重要的应用。例如，其良好的准二维纳米结构可以应用到纳米传感器、电池等诸多纳米器件中。
纳米石墨片的制备方法很多，包括机械球磨法、氧化还原法、等离子体增强化学气相沉积法等。专利(CN201310369027)公开了一种纳米石墨片的制备方法，具体方法是以天然鳞片石墨为原料，采用氧化剂和插层剂对天然鳞片石墨进行氧化插层处理，形成插层膨胀石墨，采用微波加热方式对插层膨胀石墨进行膨化，形成膨胀石墨，其后，在有机溶剂中采用超声辐照对膨胀石墨进行剥离而成纳米石墨片。专利(CN201010193713)报道的纳米石墨片的制备方法为以石墨为原料，以表面活性剂的水溶液为电解液，经电解法制备得到纳米石墨片。
以上报道可以看出，现有的方法主要是以石墨为起始原料，将石墨的层状结构利用一些手段进行剥离，从而制得纳米石墨片。这些方法在实验过程中会使用大量的强酸、强氧化剂等药品，具有一定的危险性，在制备过程中产生大量废液会对环境产生污染。而且原料石墨的品质往往会决定所制备纳米石墨片的质量，对原料石墨要求较高。
众所周知，高温下碳源气体会在金属催化剂表面热解产生碳原子，在催化剂的作用下碳原子会以SP2杂化的形式重新成核生成石墨相，用这种方法可以制备石墨烯等纳米碳材料，但用这种技术制备纳米石墨片却未见报道。
发明内容
本发明的目的在于开发一种全新、快速、大量的制备纳米级石墨片的方法，该方法不使用任何强酸强氧化剂类药品，操作简单，所制备的产物质量较好，具有广泛的应用前景。
本发明采用如下技术方案实现：
一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于该方法包括以下技术特征：
步骤一，将催化剂放置于钼舟中。
步骤二，将钼舟置于真空室内。
步骤三，打开机械泵，抽出真空室内空气后通入碳源气体和保护气体，所述碳源气体和保护气体的体积比为2:5；
步骤四，将钼舟两端连接电极，在60-90v之间调节电极电压,直接加热铜片变为熔融态铜；
步骤五，通过循环水对真空室进行冷却，反应中持续通入循环水，反应结束后继续冷却30min。取出钼舟中的石墨片，该石墨片的厚度约为10nm。
采用钼舟直接加热方式。
采用铜为催化剂。
所用碳源气体选自甲烷、乙炔和乙烯。
所述实验中保护气体选自氩气或氢氩混合气。
所述碳源气体百分比为10％-30％。(所述碳源气体百分比为10％-30％已经表示一个可调的范围)
所述钼舟温度由电压控制，且实验电压为60v-90v。
一种纳米级石墨片的制备方法，步骤四中的反应时间为120s，通过循环水对真空室进行冷却。
按照此实验路线所制备的石墨片缺陷少，石墨化程度高，Raman光谱中G峰明显强于D峰。
采用电阻直热式制备方法，以铜片为催化剂，将其放入钼舟中，在60v-90v之间调节电压，直接加热铜片变为熔融态铜，碳源气体(包括甲烷、乙炔和乙烯)接触到熔融铜后热解出具有活性的碳原子，由于铜对碳原子的溶解度较小，碳原子会在熔融铜表面进行表面吸附和表面扩散，之后在熔融铜液表面形成以SP2杂化形式的石墨成核中心，最后碳原子会扩散到成核中心周围并以化学键的形式连接形成石墨相，从而形成厚度在10nm左右的石墨片。
有益效果：
上述制备方法的优点在于：①采用电阻直热式的制备方法提高了反应速率，节省时间，提高了产率。②避免了强酸强氧化剂的使用对环境造成的污染。③实验装置简单易操作，适合连续大量生产。④所制备的纳米级石墨片质量好，石墨化程度高，便于进一步应用。⑤石墨片的厚度均一，都在10nm左右。⑥石墨片排列整齐，片与片之间距离分布均一。⑦石墨片的纯度高，在XRD中没有发现其它杂质的衍射峰出现。⑧所用铜催化剂可以反复利用，节省资源。⑨铜片催化剂只需要简单的前处理就可以实验，节省了实验时间，提高了实验效率。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1纳米级石墨片的XRD谱图；
图2纳米级石墨片的Raman谱图；
图3纳米级石墨片的SEM图片；
图4纳米级石墨片的SEM图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1:
将钼片(北京钨钼材料厂)剪成7cm×2.5cm的小片，用洗衣粉溶液将其表面的杂质清洗干净，用去离子水冲洗干净备用。
利用自制的模具将钼片压制成舟状。
将纯度为99.9％的铜片用砂纸打磨去除表面的氧化层，再用丙酮超声清洗5min，最后用去离子水冲洗。将清洗后的铜片用剪刀剪成大小约0.3cm×0.3cm的小片。
利用夹具将钼舟固定于两电极之间，将剪好的小铜片均匀地平铺于钼舟底部。
将钼舟置于真空室中，打开机械泵，抽真空30min。
关闭机械泵，停止抽真空，通入甲烷和氩气，体积比2:5，保证真空室内总压力小于外界大气压。
开通循环水对真空室进行冷却。
打开电源开关，升电压到70v，开始计时。
计时1min，停止实验，降电压到0v，关闭电源开关，继续通循环水30min。
冷却结束后，抽出真空室内气体，充入空气至大气压。
打开真空室，取出钼舟，在钼舟表面生成大量产物，如附图3所示。
实施例2：
将实施例1中碳源气体替换为乙炔。
将实施例1中保护气体替换为氢气氩气混合气(5％:95％)。
碳源气体与保护气体比例同实施例1保持不变。
实验电压为60v。
其它实验要素均等同于实施例1。
产物如附图4所示。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于该方法包括以下技术特征：
步骤一，将催化剂放置于钼舟中；
步骤二，将钼舟置于真空室内；
步骤三，打开机械泵，抽出真空室内空气后通入碳源气体和保护气体，所述碳源气体和保护气体的体积比为2:5；
步骤四，将钼舟两端连接电极，在60-90v之间调节电极电压,直接加热铜片变为熔融态铜；
步骤五，通过循环水对真空室进行冷却，反应中持续通入循环水，反应结束后继续冷却30min；取出钼舟中的石墨片，该石墨片的厚度约为10nm。
2.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于采用钼舟直接加热方式。
3.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于采用铜为催化剂。
4.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于所用碳源气体选自甲烷、乙炔和乙烯。
5.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于所述实验中保护气体选自氩气或氢氩混合气。
6.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于所述碳源气体百分比为10％-30％。(所述碳源气体百分比为10％-30％已经表示一个可调的范围) 。
7.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，其特征在于所述钼舟温度由电压控制，且实验电压为60v-90v。
8.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，步骤四中的反应时间为120s，通过循环水对真空室进行冷却。
9.如权利要求1所述的一种纳米级石墨片的制备方法，按照此实验路线所制备的石墨片缺陷少，石墨化程度高，Raman光谱中G峰明显强于D峰。
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