CN105271202B - 一种石墨烯的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石墨烯技术领域，一种石墨烯的制备方法，将原料、高铁酸钾和天冬氨酸混合后进行球磨，球磨结束后，用稀盐酸清洗粉体并离心，至上清液为中性，再用蒸馏水清洗并离心，最终将粉体干燥至恒重。有益效果：本发明石墨烯制备方法简单有效，制得的石墨烯厚度为1～2层，结构完整，对石墨烯结构破坏性小；所采用的溶剂热法同时满足了四氧化三铁高效制备及石墨烯与四氧化三铁的复合，所用的材料清洁环保，无二次污染，是一条环保制备路线。

Description

一种石墨烯的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及一种石墨烯的制备方法及其应用。
背景技术
当前制备石墨烯的技术主要有化学剥离法、化学气相沉积法、碳化硅外延生长法、胶带剥离法、碳纳米管剥开法、在大规模制备高质量的石墨烯仍然存在很多技术难题，所制备的石墨烯层数较多，结构破坏较大，影响了石墨烯高导电性、高导热性、机械强度等。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在制备的石墨烯层数较多的缺陷，提供一种石墨烯的制备方法及其应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种石墨烯的制备方法，将石墨原料、高铁酸钾和天冬氨酸混合后进行球磨，球磨结束后，用稀盐酸清洗粉体并离心，至上清液为中性，再用蒸馏水清洗并离心，最终将粉体干燥至恒重。
作为优选，所述的球磨机为全方位行星式球磨机，球磨时间为24～36h，转速为300～500rpm。通过全方位行星式球磨机的高速旋转，使得锆珠与球墨罐发生激烈碰撞，产生的能量在有机物或无机物存在的情况下使得石墨层间的C-C键断裂，所形成的石墨烯表面结构较为完整。
作为优选，所述的石墨原料与高铁酸钾质量比为1：4～5，所述石墨原料与天冬氨酸质量比为1:50～60。
作为优选，所述球磨过程中磨球与粉料的质量比为10：1。
作为优选，所述的原料为天然鳞片石墨。
作为优选，所述稀盐酸质量浓度为5％，所述的干燥温度为60℃。
上述制备方法制备的石墨烯的应用，将石墨烯与四氧化三铁复合，具体步骤如下：
将制得的石墨烯粉末与乙二醇和蒸馏水混合均匀，然后依次加入无水三氯化铁和无水乙酸钠，搅拌形成均匀的混合溶液；将混合溶液加入反应釜中进行密封反应，然后自然冷却，通过磁分离后进行清洗，并干燥至恒重。
作为优选，所述的乙二醇与蒸馏水的体积比为5～150。
作为优选，所述的无水三氯化铁中Fe3+与无水乙酸钠中的Ac-摩尔比为0.1～0.3:1，所述无水三氯化铁与蒸馏水的质量比为0.05～1.23:1，所述的石墨烯与无水氯化铁摩尔比为1：4～1:8。
作为优选，所述的密封反应温度为200℃，反应8h，所述干燥温度为60℃。
有益效果：本发明石墨烯制备方法简单有效，制得的石墨烯厚度为1～2层，结构完整，对石墨烯结构破坏性小；
所采用的溶剂热法同时满足了四氧化三铁高效制备及石墨烯与四氧化三铁的复合，所用的材料清洁环保，无二次污染，是一条环保制备路线。
附图说明
图1是实施例1制得的石墨烯的电镜图；
图2是实施例2制得的石墨烯的电镜图；
图3是四氧化三铁电镜图；
图4是四氧化三铁粒径分布图；
图5是实施例4制得的石墨烯/四氧化三铁复合材料电镜图。
具体实施方式
实施例1
将天然鳞片石墨5g与高铁酸钾20g、天冬氨酸300g混合倒入球磨罐中，所采用的球磨机为全方位行星式球磨机，球磨时间为24h，所设定的转速为500rpm，球磨罐中球与粉料的质量比例为10：1，球磨结束后，先用配好的5％的稀盐酸清洗粉体并离心，重复3-4次至上层清液为中性，再用蒸馏水清洗并离心，将最终的粉体放入60℃的烘箱中干燥至恒重。最终制得的石墨烯电镜图如图1所示，表面基本没有缺陷，表面形貌完整，制得的石墨烯厚度为0.3nm，尺寸为8μm。
实施例2
将天然鳞片石墨5g与高铁酸钾25g、天冬氨酸250g混合倒入球磨罐中，所采用的球磨机为全方位行星式球磨机，球磨时间为36h，所设定的转速为300rpm，球磨罐中球与粉料的质量比例为10：1，球磨结束后，先用配好的5％的稀盐酸清洗粉体并离心，重复3-4次至上层清液为中性，再用蒸馏水清洗并离心，将最终的粉体放入60℃的烘箱中干燥至恒重。最终制得的石墨烯电镜图如图2所示，表面基本没有缺陷，表面形貌完整，制得的石墨烯厚度为0.6nm，尺寸为5μm。
实施例3
将天然鳞片石墨5g与高铁酸钾23g、天冬氨酸280g混合倒入球磨罐中，所采用的球磨机为全方位行星式球磨机，球磨时间为30h，所设定的转速为400rpm，球磨罐中球与粉料的质量比例为10：1，球磨结束后，先用配好的5％的稀盐酸清洗粉体并离心，重复3-4次至上层清液为中性，再用蒸馏水清洗并离心，将最终的粉体放入60℃的烘箱中干燥至恒重。制得的石墨烯厚度为0.7nm，尺寸为7μm。
对比例1
将实施例1中的天冬氨酸替换为等量的苏氨酸，其他条件同实施例1，制得的石墨烯厚度为2nm，尺寸为5μm。
对比例2
将实施例1中的高铁酸钾去除，其他条件同实施例1，制得的石墨烯厚度为3nm，尺寸为6μm。
实施例4
取实施例1制备得到的石墨烯粉体0.008g和将49.02ml乙二醇和0.98ml蒸馏水通过超声均匀混合，随后依次加入0.406g无水三氯化铁和1.026g无水乙酸钠，强烈搅拌形成均匀的混合溶液，将形成的混合溶液倒入60ml的聚四氟乙烯反应釜中，密封置于200℃烘箱中反应8h后自然冷却，通过磁铁分离，以乙醇和水清洗数次，最后置于60℃烘箱中干燥至恒重。最终制得的石墨烯/四氧化三铁电镜图如图5所示，其中的球形颗粒为所制备的四氧化三铁，并且四氧化三铁是附着在石墨烯片的表面上。经测定复合材料磁化强度为70emu/g。
将实施例4中石墨烯粉体去除，最终制得四氧化三铁材料，其电镜图如图3所示，最别得到的四氧化三铁材料颗粒大小均匀。图4为制得的四氧化三铁材料的粒径分布图。
实施例5
取实施例1制备得到的石墨烯粉体0.002g和将20.82ml乙二醇和4.12ml蒸馏水通过超声均匀混合，随后依次加入0.205g无水三氯化铁和1.026g无水乙酸钠，强烈搅拌形成均匀的混合溶液，将形成的混合溶液倒入60ml的聚四氟乙烯反应釜中，密封置于200℃烘箱中反应8h后自然冷却，通过磁铁分离，以乙醇和水清洗数次，最后置于60℃烘箱中干燥至恒重。经测定复合材料磁化强度为68emu/g。
实施例6
取实施例1制备得到的石墨烯粉体0.038g和将246.52ml乙二醇和1.64ml蒸馏水通过超声均匀混合，随后依次加入2.02g无水三氯化铁和3.252g无水乙酸钠，强烈搅拌形成均匀的混合溶液，将形成的混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜中，密封置于200℃烘箱中反应8h后自然冷却，通过磁铁分离，以乙醇和水清洗数次，最后置于60℃烘箱中干燥至恒重。经测定复合材料磁化强度为72emu/g。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于：将石墨原料、高铁酸钾和天冬氨酸混合后进行球磨，球磨结束后，用稀盐酸清洗粉体并离心，至上清液为中性，再用蒸馏水清洗并离心，最终将粉体干燥至恒重；所述的石墨原料与高铁酸钾质量比为1：4～5，所述石墨原料与天冬氨酸质量比为1:50～60；球磨采用全方位行星式球磨机，球磨时间为24～36h，转速为300～500rpm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述球磨过程中磨球与粉料的质量比为10：1。
3.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述的原料为天然鳞片石墨。
4.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述稀盐酸质量浓度为5％，所述的干燥温度为60℃。
5.根据权利要求1～4任一项所述制备方法制备的石墨烯的应用，其特征在于：将石墨烯与四氧化三铁复合，步骤如下：
将制得的石墨烯粉末与乙二醇和蒸馏水混合均匀，然后依次加入无水三氯化铁和无水乙酸钠，搅拌形成均匀的混合溶液；将混合溶液加入反应釜中进行密封反应，然后自然冷却，通过磁分离后进行清洗，并干燥至恒重。
6.根据权利要求5所述的石墨烯的应用，其特征在于：所述的乙二醇与蒸馏水的体积比为5～150。
7.根据权利要求5所述的石墨烯的应用，其特征在于：所述的无水三氯化铁中Fe3+与无水乙酸钠中的Ac-摩尔比为0.1～0.3:1，所述无水三氯化铁与蒸馏水的质量比为0.05～1.23:1，所述的石墨烯与无水氯化铁摩尔比为1:4～1:8。
8.根据权利要求5所述的石墨烯的应用，其特征在于：所述的密封反应温度为200℃，反应8h，所述干燥温度为60℃。
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