CN104370286B - 一种石墨烯制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯制备工艺，至少以下步骤包括：S001：将石墨颗粒与电解液置入搅拌器中，所述搅拌器在磁场环境中对石墨颗粒进行搅拌，使石墨颗粒在搅拌器的剪切力作用下形成毫米级石墨烯；S002：所述毫米级石墨烯在磁场环境中旋转产生电位差，使电解液中的离子与石墨烯结合，形成石墨烯结合物和电解液混合物；S003：将所述石墨烯结合物和电解液混合物经过离心操作，去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；S004:将所述悬浮液经过滤、洗涤、干燥和焙烧后得到石墨烯。本发明的优越效果在于：本申请所述石墨烯制备工艺简单，操作性强，适用于工业化生产，提高了石墨烯的高面积比和纯度，提高了石墨烯生产效率，降低了生产成本。

Description

一种石墨烯制备工艺
技术领域
本发明涉及碳素材料制备技术领域，具体涉及一种新型石墨烯制备工艺。
背景技术
在2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯(Graphene)。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。只有一个碳原子厚度的二维材料，其具有独特的结构和光电性能受到了人们广泛的重视，其是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它大的表面积比，优良的透明、导电、导热等性能被认为是理想的材料。其可以应用于制造透明触控屏幕、光板、超级电容、电池、甚至是太阳能电池。
公开号为CN103130211A的中国专利公开了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将石墨粉加入到溶解有并苯稠环类芳烃衍生物的非水极性溶剂形成混合体系；对所述混合体系进行震荡、洗涤、离心和过滤得到石墨烯溶液；进一步地，得到所述的混合体系后，步骤如下：将所述混合体系以100～2500瓦的超声波震荡0.1～24小时，得到第一次震荡混合体系；向所述第一次震荡混合体系中加入1～2000毫升的水，然后以100～2500瓦的震荡功率震荡1～200小时，得到第二次震荡混合体系；将所述第二次震荡混合体系静置1～96小时，去除上层清液，并补水至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡0.5～24小时，得第三次震荡混合体系；在得到第三次震荡混合体系后，步骤如下：在500～20000转的速率下将所述第三次震荡混合体系离心1～100分钟，去除上层清液，并用水补充剩余混合体系至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡，重复离心、补水和震荡2～20次，经过滤得到石墨烯水溶液。该石墨烯制备工艺复杂，生产成本高。
现有的石墨烯的制备方法有：一、微机械剥离法，该方法产量和效率过低；二、氧化石墨还原法，该方法合成的石墨烯较容易导致大量的结构缺陷；三、化学气相沉积生长法，该方法成本较高，工艺复杂；四、电解法，该方法制备出的石墨烯纯度比较低。因此找到一种大量生产高纯度的石墨烯的制备方法是个急需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种生产工艺简单、经济环保的新型石墨烯制备工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种新型石墨烯制备工艺，至少包括以下步骤：
S001：将石墨颗粒与电解液置入搅拌器中，所述搅拌器在磁场环境中对石墨颗粒进行搅拌，使石墨颗粒在搅拌器的剪切力作用下形成毫米级石墨烯；
S002：所述毫米级石墨烯在磁场环境中旋转产生电位差，使电解液中的离子与石墨烯结合，形成石墨烯结合物和电解液混合物；
S003：将所述石墨烯结合物和电解液混合物经过离心操作，去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；
S004:将所述悬浮液经过滤、洗涤、干燥和焙烧后得到石墨烯。
所述的技术方案优选为，所述电解液为盐水混合物电解液、离子溶液电解液和有机高分子电解质电解液中的一种。
所述的技术方案优选为，所述盐水混合物电解液中至少包括铵盐、钾盐和钠盐中的一种。
所述的技术方案优选为，所述离子溶液电解液中至少包括季铵盐离子溶液、季磷盐离子溶液、咪唑盐离子溶液、卤素离子溶液、四氟硼酸根离子溶液和六氟磷酸根离子溶液中的一种。
所述的技术方案优选为，所述有机高分子电解质电解液中有机高分子至少包括十二烷基苯磺酸钠、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯苯磺酸钠、聚甲基丙烯酸钠、聚丙烯酸钠中的一种。
所述的技术方案优选为，所述电解液为盐水混合物电解液时，盐水混合物电解液的质量浓度为10-55％；所述电解液为离子溶液电解液时，在常温下，离子溶液电解液的体积浓度为20-50％；所述电解液为有机高分子电解质电解液时，有机高分子电解质电解液的质量浓度为1-15％。
所述的技术方案优选为，所述搅拌器的转速为100-500r/min，搅拌时间为0.3-2小时。
所述的技术方案优选为，所述磁场环境的磁场强度为0.01-0.8T。
所述的技术方案优选为，所述洗涤是采用水、乙醇、丙酮中的至少一种对悬浮液进行反复洗涤。
所述的技术方案优选为，所述干燥时干燥温度为50-100℃，干燥时间为0.5-4小时。
所述的技术方案优选为，所述焙烧时，在无氧环境中的焙烧温度为800-1200℃，焙烧时间为5-30分钟。
本发明所述新型石墨烯制备工艺通过毫米级石墨烯在磁场中电位差快速与电解液中离子结合，形成石墨烯结合物，将石墨烯结合物和电解液混合物离心，去除团聚石墨烯沉淀，通过过滤、洗涤，有效去除石墨烯表面附着的有机物和离子等杂质，对石墨烯产物干燥、焙烧，去除石墨烯产物中的水分和残留的溶剂及石墨烯表面附着的有机物和离子等杂质，从而分离出高面积比和高纯度的石墨烯。
与现有技术相比，本发明的优越效果在于：本申请所述石墨烯制备工艺简单，操作性强，适用于工业化生产，提高了石墨烯的高面积比和纯度，提高了石墨烯生产效率，降低了生产成本；最终有效解决了石墨烯的高面积比和纯度的问题。
附图说明
图1为本发明所述一种新型石墨烯制备工艺流程示意图；
图2为本发明所述石墨烯制备工艺中石墨烯在磁场环境下搅拌器工作状态图。
附图标识如下：
1-搅拌器、2-磁铁、3-混合物。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实际例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明所述一种新型石墨烯制备工艺，包括以下步骤：取50g石墨颗粒置入搅拌器1中，采用四片强度为0.5T的磁铁2以及浓度为35％的硫酸铵的电解液；将磁铁2均匀放置与搅拌器1周围，将所述电解液和石墨颗粒放入搅拌器1中，经过搅拌器1搅拌2小时，形成石墨烯结合物和电解液混合物；所述混合物3经过搅拌器1的离心分解8分钟，转速为1000r/min，离心后去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；将所述悬浮液过滤，采用95％的乙醇溶液进行5次反复洗涤，然后在温度为70℃的真空环境干燥2小时得到含有石墨烯的固体；将含有石墨烯的固体置于充满氮气的无氧环境中进行焙烧，焙烧温度为900℃、焙烧时间为0.5小时，得到高面积比、高纯度的石墨烯产物。
经检测，本实施例石墨烯制备工艺得到的石墨烯中碳含量高达98％。
实施例2
本发明所述一种新型石墨烯制备工艺，包括以下步骤：取50g石墨颗粒置入搅拌器1中，采用四片强度为0.3T的磁铁2和体积浓度为40％的硫酸铵的电解液；将磁铁2均匀置于搅拌器1周围，将所述电解液和石墨颗粒放入搅拌器1中，经过搅拌器1.5小时搅拌后，形成石墨烯结合物和电解液混合物；所述混合物3经过离心分解8分钟，转速为1000r/min，离心后去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；将所述悬浮液过滤，采用水进行5次反复洗涤，然后在80℃的真空环境干燥2小时后得到含有石墨烯的固体；将含有石墨烯的固体置于充满氮气的无氧环境中进行焙烧，焙烧温度为900℃、焙烧时间为0.5小时，得到高面积比、高纯度的石墨烯产物。
经检测，本实施例石墨烯制备工艺得到的石墨烯中碳含量高达97％。
实施例3
本发明所述一种新型石墨烯制备工艺，包括以下步骤：取50g石墨颗粒置入搅拌器1中，采用四片强度为0.5T的磁铁2，采用体积比为1:1的咪唑基六氟磷盐和水的电解液；将磁铁2均匀置于搅拌器1四周，将所述电解液和石墨颗粒放入搅拌器1中，经过搅拌器1小时搅拌后，形成石墨烯结合物和电解液混合物；将所述混合物3经过搅拌器1的离心分解8分钟，转速为1000r/min，离心后去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；将所述悬浮液过滤，采用95％的乙醇溶液进行5次反复洗涤，然后在80℃的真空环境干燥2小时后得到含有石墨烯的固体；将含有石墨烯的固体置于充满氮气的无氧环境中进行焙烧，焙烧温度为1000℃、焙烧时间为0.3小时，得到高面积比、高纯度的石墨烯产物。
经检测，本实施例石墨烯制备工艺得到的石墨烯中碳含量高达97％。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (8)

1.一种石墨烯制备工艺，其特征在于，至少包括以下步骤：
S001：将石墨颗粒与电解液置入搅拌器中，所述搅拌器在磁场环境中对石墨颗粒进行搅拌，使石墨颗粒在搅拌器的剪切力作用下形成毫米级石墨烯；
S002：所述毫米级石墨烯在磁场环境中旋转产生电位差，使电解液中的离子与石墨烯结合，形成石墨烯结合物和电解液混合物；
S003：将所述石墨烯结合物和电解液混合物经过离心操作，去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；
S004:将所述悬浮液经过滤、洗涤、干燥和焙烧后得到石墨烯；
所述搅拌器的转速为100-500r/min，搅拌时间为0.3-2小时；所述磁场环境的磁场强度为0.01-0.8T。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯制备工艺，其特征在于，所述电解液为盐水混合物电解液或有机高分子电解质电解液。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯制备工艺，其特征在于，所述电解液为盐水混合物电解液时，盐水混合物电解液的质量浓度为10-55％；所述电解液为有机高分子电解质电解液时，有机高分子电解质电解液的质量浓度为1-15％。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯制备工艺，其特征在于，所述盐水混合物电解液中至少包括铵盐、钾盐和钠盐中的一种。
5.根据权利要求2或3所述的一种石墨烯制备工艺，其特征在于，所述有机高分子电解质电解液中有机高分子至少包括十二烷基苯磺酸钠、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯苯磺酸钠、聚甲基丙烯酸钠、聚丙烯酸钠中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯制备工艺，其特征在于，所述洗涤是采用水、乙醇、丙酮中的至少一种对悬浮液进行反复洗涤。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯制备工艺，其特征在于，所述干燥时干燥温度为50-100℃，干燥时间为0.5-4小时。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯制备工艺，其特征在于，所述焙烧时，在无氧环境中的焙烧温度为800-1200℃，焙烧时间为5-30分钟。
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