CN105540579B - 一种制备石墨烯的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备石墨烯的新方法，属于材料技术领域，包括以下步骤：对天然鳞片石墨进行插层，制备可膨胀石墨，对可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得球形粒径适宜的可膨胀石墨，对其进行等离子喷涂，在基材上得到石墨烯。本发明利用高能等离子焰流较普通加热方式更快地加热可膨胀石墨，使含氧官能团在极短时间内迅速分解，产生更高的冲击力，从而直接剥离石墨片层，免去了超声波分离等步骤，从而更快捷地获得大片层石墨烯。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种制备石墨烯的新方法，尤其涉及一种制备大面积石墨烯的新方法。
背景技术
目前以石墨为原料制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法，超高真空石墨烯外延生长法，氧化-还原法，化学气相沉积法(CVD)、溶剂剥离法、电解法、溶剂热法、爆炸法等。
中国专利(申请号：201010548936.X)简要说明了各种石墨烯制备方法的劣势，提出了先热剥离再超声剥离膨胀石墨，利用微波加热制备石墨烯的方法。
中国专利(申请号：201210341989.3)总结了多种制备石墨方法的专利，提出了一种大规模制备高质量石墨烯的方法，具体步骤：将剥离剂与水混合，制备浓度为0.2wt％-50wt％的剥离剂溶液；按膨胀石墨与剥离剂溶液质量比为0.1-10：100，将膨胀石墨分散于剥离剂溶液中搅拌浸渍，搅拌并浸渍时间是1-10小时，然后通过超声5-300分钟、经过滤，洗涤，干燥制得石墨烯。
但是，这些方法目前只能制备较小尺寸的石墨烯，不适用于大面积石墨烯制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备石墨烯的新方法，尤其是一种制备大面积石墨烯的新方法。本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种制备石墨烯的新方法，包括以下步骤：
(1)制备可膨胀石墨：以天然鳞片石墨为原料，选取适当的插层剂和氧化剂对其进行插层，干燥后获得可膨胀石墨；
(2)可膨胀石墨团聚造粒：选取适当的粘结剂，将可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得粒径适宜的可膨胀石墨；
(3)等离子喷涂获得石墨烯：将团聚造粒后的可膨胀石墨进行等离子喷涂，在旋转的基材表面获得石墨烯。
进一步地，步骤(1)中以体积比3:1的浓硝酸、浓硫酸混合溶液为插层剂，以氯酸钾为氧化剂，每克石墨添加3-5ml插层剂和10-15wt％氧化剂，常温水浴1-2小时，对天然鳞片石墨进行插层，干燥后获得可膨胀石墨。
进一步地，步骤(2)中以清漆为粘结剂，每克石墨加0.1-1ml粘结剂，对可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得粒度在45-109μm的可膨胀石墨。
进一步地，步骤(3)中喷涂工艺参数为：主气(氩气)流量40-90L/min，次气(氢气)流量2.5-5L/min，载气(氩气)流量4.0-7.0L/min，电流320A-550A，功率25-38kw，喷涂距离80-150mm，基材转速为140-200r/min。
等离子喷涂过程中可膨胀石墨片层内部在高温下产生剧烈化学反应，羟基、羧基和环氧基等含氧官能团分解和挥发，产生CO、CO2和H2O等气体，产生的冲击力使石墨片层沿c轴急速膨胀，石墨片层被撑开，层间距拉大，部分片层之间会剥离开来。与此同时，可膨胀石墨在高速等离子焰流中被加速，从喷嘴中喷出沉积到快速旋转的基材上，形成一层单层的石墨烯。高速旋转的圆柱形基材能避免短时间内多个石墨烯的重叠。
本方法直接喷涂可膨胀石墨颗粒，热源不是基材提供，而是靠温度高达15000～20000K的大功率等离子焰流使可膨胀石墨颗粒快速膨胀，片层撑开打到旋转的基材上形成单层或多层石墨烯。
本发明的优点在于利用高能等离子焰流较普通加热方式更快的加热可膨胀石墨，使含氧官能团极短时间内的迅速分解，产生更高的冲击力，从而直接剥离石墨片层，免去了超声波分离等步骤，从而更快捷的获得大片层石墨烯。
附图说明
图1是等离子喷涂过程的示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例进一步阐明本发明的技术方案。以下所述实施例仅表达了本发明的较优实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明保护范围的限制。本领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出的改进和变形，都属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
以100g的细微(-13μm)天然鳞片石墨为原料，添加400ml体积比3:1的浓硝酸、浓硫酸混合溶液，添加12g氯酸钾，20℃水浴1小时，对膨胀石墨进行插层，干燥后获得可膨胀石墨；添加15ml清漆为粘结剂，对可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得球形-109μm+45μm可膨胀石墨；对可膨胀石墨进行等离子喷涂，选取如下喷涂参数：以氩气为主气，流量70升/分，氢气为次气，流量3升/分，氩气为载气，流量5升/分，电流450A，功率30kw，喷涂距离100mm，基材转速160转/分。即可在基材上获得大片层石墨烯。
实施例2
以100g的(-13μm)细微天然鳞片石墨为原料，添加350ml体积比3:1的浓硝酸、浓硫酸混合溶液，添加10g氯酸钾，20℃水浴1.5小时，对天然鳞片石墨进行插层，干燥后获得可膨胀石墨；添加30ml清漆为粘结剂，对可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得球形-109μm+45μm可膨胀石墨；对可膨胀石墨进行等离子喷涂，选取如下喷涂参数：以氩气为主气，流量45升/分，氢气为次气，流量2.5升/分，氩气为载气，流量4.5升/分，电流400A，功率27kw，喷涂距离90mm，基材转速150转/分。即可在基材上获得大片层石墨烯。
实施例3
以100g的(-13μm)细微天然鳞片石墨为原料，添加450ml体积比3:1的浓硝酸、浓硫酸混合溶液，添加15g氯酸钾，20℃水浴2小时，对天然鳞片石墨进行插层，干燥后获得可膨胀石墨；添加30ml清漆为粘结剂，对可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得球形-109μm+45μm可膨胀石墨；对可膨胀石墨进行等离子喷涂，选取如下喷涂参数：以氩气为主气，流量80升/分，氢气为次气，流量4.5升/分，氩气为载气，流量6.5升/分，电流550A，功率35kw，喷涂距离110mm，基材转速190转/分。即可在基材上获得大片层石墨烯。
Claims (4)
1.一种制备石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备可膨胀石墨：以天然鳞片石墨为原料，选取适当的插层剂和氧化剂对其进行插层，干燥后获得可膨胀石墨；
(2)可膨胀石墨团聚造粒：选取适当的粘结剂，将可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得粒径适宜的可膨胀石墨；
(3)等离子喷涂获得石墨烯：将团聚造粒后的可膨胀石墨进行等离子喷涂，在旋转的基材表面获得石墨烯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中以体积比3:1的浓硝酸、浓硫酸混合溶液为插层剂，以氯酸钾为氧化剂，每克石墨添加3-5ml插层剂和10-15wt％氧化剂，常温水浴1-2小时，对天然鳞片石墨进行插层，干燥后获得可膨胀石墨。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中以清漆为粘结剂，每克石墨加0.1-1ml粘结剂，对可膨胀石墨进行团聚造粒，筛分获得粒度在45-109μm的可膨胀石墨。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中喷涂工艺参数为：主气流量40-90L/min，次气流量2.5-5L/min，载气流量4.0-7.0L/min，电流320A-550A，功率25-38kw，喷涂距离80-150mm，基材转速为140-200r/min。
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