CN104071779A - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯的制备方法。本发明涉及一种以碳酸钙为原料制备石墨烯的方法。发明针对制备石墨烯存在的生产工艺复杂、耗时、成本高、产量低的技术问题，采用原料来源广泛的碳酸钙进行生产。其主要特点在于包括下述步骤：将粉体平均粒径≤0.02μm的轻质碳酸钙粉末和镁粉末，按重量比为195～205∶100的配比混合均匀；在高温炉中经加热和惰性气体保护下发生高温分解和还原反应，制得石墨烯产品。发明具有生产设备和工艺简单、过程控制容易、生产成本低、产量大的优点，是工业化规模制备石墨烯的方法。

Description

一种石墨烯的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种石墨烯材料的制备方法，具体涉及一种使用碳酸钙为原料制备石墨烯的方法。

背景技术：

石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构,它可以构成富勒烯、碳纳米管或者三维的石墨,是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯是一种新型高性能材料,因其特殊的分子构造,显示出优良的机械性能,耐热性以及电性能。

石墨烯主要有两种制备方法：物理方法以及化学方法。物理方法是以石墨原料,通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯,此法原料易得, 操作相对简单,合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少,但不足之处是费时、产率低下,不适于大规模生产。化学气相沉积法可以制备出大面积且性能优异的石墨烯薄膜材料,但现有的工艺不成熟以及成本较高都限制了其大规模应用,还需进一步探索、完善。氧化−还原法虽然能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯,但即使被强还原剂还原后,石墨烯的原始结构也不能完全恢复,使其电子结构及晶体的完整性均受到严重的破坏,一定程度上限制了其在某些领域，如精密的微电子领域中的应用。

因此,各种制备石墨烯的方法都遇到如何大产量、低成本地制备出高质量的石墨烯材料的技术问题，有必要对现有技术的生产工艺进行优化。

发明内容：

本发明的目的为了克服现有技术在制备石墨烯的过程中生产效率低、产量低的缺点，提供一种以碳酸钙为原料制备石墨烯的方法。

本发明的技术方案是：

一种石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1) 取粉体平均粒径≤0.02μm的轻质碳酸钙粉末和镁粉末，按重量比为195～205 ∶100 的配比混合均匀，优选轻质碳酸钙粉末和镁粉末的配比为按重量比为200 ∶100；

2) 将步骤1) 的混合粉料装入热处理炉中，通入70 ～100ml/min的氩气进行保护升温；在2～3小时内升温到650℃～700℃，保温1小时；然后在1～2小时内升温到830℃～950℃，保温50分钟；最后在氩气的保护下冷却到室温，得到灰色的粉末；优选在900℃下保温50分钟进行还原反应；

3) 将所得灰色粉末与氢离子浓度为5 mol/L的酸溶液反应30 分钟，

然后用去离子水清洗至中性，制到高纯度的石墨烯产品。

所述的酸为碳酸或醋酸或氢氟酸中的至少一种，优选使用醋酸。

在本发明的技术方案中，选择轻质碳酸钙粉末比重质碳酸钙有更好的效果，因为重质碳酸钙粉末的颗粒形状不规则，是多分散粉体，粒径分布较宽、粒径大，而轻质碳酸钙粉末的颗粒形状规则，为单分散粉体，粒度分布较窄，粒径小。碳酸钙和镁粉末的粉体平均粒径对熔融的金属镁包裹碳酸钙颗粒有直接影响，当粉体平均粒径大于0.1μm，同样的工艺条件下，合格石墨烯产品的产量明显减少。通过在金属镁的熔化温度649℃以上的温度区间650℃～700℃，保温1小时，有利于熔融的金属镁分散延展，能增加镁粉末的有效利用率，并有利于消除原料粉体平均粒径不均匀的不利影响。同样的，在碳酸钙的分解温度区间825～896.6℃，碳酸钙生成氧化钙和二氧化碳，设计在830℃～950℃，保温50分钟，已经能够完成镁对二氧化碳的还原反应生成石墨烯。优选在900℃下保温50分钟进行还原反应，取得产量高，品质好，以及节约能源的最佳效果。

本发明相对于现有技术具有制备设备和工艺简单，过程控制方便，原料易得，使用有害化学品少，是一种环境友好型的生产方式，其最大特点是生产工艺参数优化，产量大，实现了规模化的工业化生产。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1) 取粉体平均粒径≤0.02μm的轻质碳酸钙粉末和镁粉末，按重量比为195∶100 的配比混合均匀；

2) 将步骤1) 的混合粉料装入热处理炉中，通入90ml/min的氩气进行保护升温；在3小时内升温到700℃，保温1小时；然后在2小时内升温到950℃，保温50分钟；最后在氩气的保护下冷却到室温，得到灰色的粉末；

3) 将所得灰色粉末与氢离子浓度为5 mol/L的碳酸溶液反应30 分钟，

然后用去离子水清洗至中性，制到高纯度的石墨烯产品。

实施例2：一种石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1) 取粉体平均粒径≤0.02μm的轻质碳酸钙粉末和镁粉末，按重量比为205 ∶100 的配比混合均匀；

2) 将步骤1) 的混合粉料装入热处理炉中， 100ml/min的氩气进行保护升温；在2.5小时内升温到650℃,保温1小时；然后在2小时内升温到830℃，保温50分钟；最后在氩气的保护下冷却到室温，得到灰色的粉末；

3) 将所得灰色粉末与氢离子浓度为5 mol/L的氢氟酸溶液反应30 分钟，

然后用去离子水清洗至中性，制到高纯度的石墨烯产品。

实施例3：一种石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1) 取粉体平均粒径≤0.02μm的轻质碳酸钙粉末和镁粉末，按重量比为200∶100 的配比混合均匀;

2) 将步骤1) 的混合粉料装入热处理炉中，通入80ml/min的氩气进行保护升温；在2小时内升温到680℃，保温1小时；然后在1小时内升温到900℃，保温50分钟；最后在氩气的保护下冷却到室温，得到灰色的粉末；

3) 将所得灰色粉末与氢离子浓度为5 mol/L的醋酸溶液反应30 分钟，

然后用去离子水清洗至中性，制到高纯度的石墨烯产品。

以上的实施例是本发明的三个较佳实施例，体现了本发明的实质技术特征和最佳制备效果，但并不是对本发明的具体限制，那种简单的工艺参数变化仍在本发明的保护范围中。

Claims (3)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1) 取粉体平均粒径≤0.02μm的轻质碳酸钙粉末和镁粉末，按重量比为195～205 ∶100 的配比混合均匀；

2) 将步骤1) 的混合粉料装入热处理炉中，通入70 ～100ml/min的氩气进行保护升温；在2～3小时内升温到650℃～700℃，保温1小时；然后在1～2小时内升温到830℃～950℃，保温50分钟；最后在氩气的保护下冷却到室温，得到灰色的粉末；

3) 将所得灰色粉末与氢离子浓度为5 mol/L的酸溶液反应30 分钟，然后用去离子水清洗至中性，制到高纯度的石墨烯产品。

2.如权利要求1 所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1) 取粉体平均粒径≤0.02μm的轻质碳酸钙粉末和镁粉末，按重量比为200∶100 的配比混合均匀；

2) 将步骤1) 的混合粉料装入热处理炉中，通入70 ～100ml/min的氩气进行保护升温；在2～3小时内升温到650℃～700℃，保温1小时；然后在1～2小时内升温到900℃，保温50分钟；最后在氩气的保护下冷却到室温，得到灰色的粉末；

3) 将所得灰色粉末与氢离子浓度为5 mol/L的酸溶液反应30 分钟，然后用去离子水清洗至中性，制到高纯度的石墨烯产品。

3.如权利要求1或者2 所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的酸为碳酸或醋酸或氢氟酸中的至少一种。