CN104556001A - 石墨烯的高纯度制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种石墨烯的高纯度制备方法，包括如下步骤：1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为210～480μm的石墨粉末；2)按照重量配比为1：1.5～1：5称取石墨粉末和草酸溶液制备羧化石墨烯混浊液；3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，得到述羧化石墨烯悬浮液；4)将锌盐溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。该方法材料成本低廉、制造工艺简单、便于规模化生产，并且制备得到的石墨烯的比表面积较高。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料制备领域，具体涉及一种石墨烯的高纯度制备方法。
背景技术
石墨烯由英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆(Andre K.Geim)等人在2004年首次制备，其独特的性质使其在越来越多的行业中得到广泛的应用。例如，石墨烯的抗拉强度高达125GPa、弹性模量达到1.1TPa、理论比表面积可达2630m2/g、室温热导率约为5000W/mK等，使其具备了作为导热材料应用的前景；而且，单层石墨烯高度透明，仅吸收2.3％的可见光，在光学照明领域也具备应用的条件。
到目前为止，所知道的制备石墨烯的方法有多种，如：(1)微机械剥离法。这种方法只能产生数量极为有限石墨烯片，可作为基础研究；(2)超高真空石墨烯外延生长法。这种方法的高成本以及小圆片的结构限制了其应用；(3)化学气相沉积法(CVD)。此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。(4)溶剂剥离法。此方法缺点是产率很低,限制它的商业应用；(5)氧化-还原法。此方法是最简单可大量获得石墨烯的一种普遍方法，比较常用的还原方法是化学还原(水合肼、乙二胺、硼氢化钠等做还原剂)和快速热还原，但是各种方法还原后，石墨烯都会存在一个团聚的过程，造成石墨烯的比表面积偏小，一般小于900m2/g。并且现有的石墨烯制备方法，使其制造成本居高不下直接限制了其在LED照明领域的普遍使用，造成LED照明的成本压力过大。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提出一种石墨烯的高纯度制备方法，该方法材料成本低廉、制造工艺简单、便于规模化生产，并且制备得到的石墨烯的比表面积较高。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种石墨烯的高纯度制备方法，包括如下步骤：
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为210～480μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：1.5～1：5称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将锌盐溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
进一步，所述步骤2)研磨方法为采用双行星式球磨机转速为300～1000rpm，球磨时间为6～10h。
进一步，所述超声振荡时间为2～4h。
进一步，所述锌盐溶液的质量分数为10～20％。
进一步，所述锌盐与氧化石墨烯的混合溶液中，锌盐与羧化石墨烯的质量比为30～150:1。
进一步，所述锌盐为氯化锌、硫酸锌或硝酸锌。
进一步，所述微波加热活化处理时，微波功率为600～800W，加热时间为2～10分钟。
本发明有益效果：
1、制造流程简单，以微波加热法处理羧化石墨烯的方法制备石墨烯，原料预处理为研磨过筛，羧化石墨烯脱羧采用微波加热，流程步骤少，过程控制技术成熟，从而在制造可操作性上本发明的方法具有规模化生产的可操作性。
2、羧化石墨烯通过锌盐溶液的作用，不仅可以有效去除球磨反应中未反应的如石墨等固体杂质，而且制备出高比表面积石墨烯，比表面积达到1000～1500m2/g；去离子水反复洗涤可以去除沾附在羧化石墨烯上未反应的羧化剂，通过微波加热可以实现在插层的水分在高温环境下逸出，从而在应用层面上本发明的方法制备的产品具有巨大的应用前景。
具体实施方式
实施例1
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为210μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：1.5称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，采用双行星式球磨机转速为300rpm，球磨时间为6h，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，超声振荡时间为2h，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将质量分数为10％的氯化锌溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，其中锌盐与羧化石墨烯的质量比为30:1，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，微波功率为600W，加热时间为10分钟，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
将得到的石墨烯通过BET测试得到的比表面积为1003m2/g。
实施例2
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为300μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：2称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，采用双行星式球磨机转速为500rpm，球磨时间为6h，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，超声振荡时间为2h，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将质量分数为20％的氯化锌溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，其中锌盐与羧化石墨烯的质量比为60:1，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，微波功率为700W，加热时间为8分钟，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
将得到的石墨烯通过BET测试得到的比表面积为1224m2/g。
实施例3
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为320μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：3称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，采用双行星式球磨机转速为800rpm，球磨时间为8h，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，超声振荡时间为4h，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将质量分数为15％的硫酸锌溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，其中锌盐与羧化石墨烯的质量比为80:1，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，微波功率为700W，加热时间为8分钟，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
将得到的石墨烯通过BET测试得到的比表面积为1351m2/g。
实施例4
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为360μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：3.5称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，采用双行星式球磨机转速为1000rpm，球磨时间为7h，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，超声振荡时间为3h，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将质量分数为10％的硝酸锌溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，其中锌盐与羧化石墨烯的质量比为100:1，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，微波功率为800W，加热时间为2分钟，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
将得到的石墨烯通过BET测试得到的比表面积为1416m2/g。
实施例5
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为400μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：4称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，采用双行星式球磨机转速为1000rpm，球磨时间为7h，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，超声振荡时间为3h，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将质量分数为15％的硝酸锌溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，其中锌盐与羧化石墨烯的质量比为120:1，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，微波功率为800W，加热时间为3分钟，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
将得到的石墨烯通过BET测试得到的比表面积为1487m2/g。
实施例6
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为480μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：5称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，采用双行星式球磨机转速为1000rpm，球磨时间为7h，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，超声振荡时间为4h，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将质量分数为15％的硝酸锌溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，其中锌盐与羧化石墨烯的质量比为150:1，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，微波功率为800W，加热时间为5分钟，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
将得到的石墨烯通过BET测试得到的比表面积为1500m2/g。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种石墨烯的高纯度制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)先分别将石墨研磨、过筛，得到平均粒径为210～480μm的石墨粉末；
2)按照重量配比为1：1.5～1：5称取石墨粉末和草酸溶液，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，进行研磨，得到羧化石墨烯混浊液；
3)将上述羧化石墨烯混浊液在超声波装置中，进行超声振荡，得到述羧化石墨烯悬浮液；
4)将锌盐溶液加入到上述羧化石墨烯悬浮液中，搅拌，得到锌盐与羧化石墨烯的混合溶液；将上述得到混合溶液过滤，并将滤物进行微波加热活化处理，冷却后，经酸洗、水洗、过滤、干燥，得到所述石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯的高纯度制备方法，其特征在于，所述步骤2)研磨方法为采用双行星式球磨机转速为300～1000rpm，球磨时间为6～10h。
3.根据权利要求1所述的石墨烯的高纯度制备方法，其特征在于，所述超声振荡时间为2～4h。
4.根据权利要求1所述的石墨烯的高纯度制备方法，其特征在于，所述锌盐溶液的质量分数为10～20％。
5.根据权利要求5所述的石墨烯的高纯度制备方法，其特征在于，所述锌盐与氧化石墨烯的混合溶液中，锌盐与羧化石墨烯的质量比为30～150:1。
6.根据权利要求1或5所述的石墨烯的高纯度制备方法，其特征在于，所述锌盐为氯化锌、硫酸锌或硝酸锌。
7.根据权利要求1所述的石墨烯的高纯度制备方法，其特征在于，所述微波加热活化处理时，微波功率为600～800W，加热时间为2～10分钟。
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