CN105819430A - 一种煤基石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤基石墨烯的制备方法是将原煤粉碎成煤粉与催化剂经球磨混合均匀,得到混合物石墨化处理,将石墨化后的物料与浓硫酸搅拌均匀,然后加入高锰酸钾反应,加入去离子水继续反应后再加入双氧水,再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经400‑1200℃处理得到煤基石墨烯。本发明具有使用了储量丰富的煤炭作为原料,价格低廉,所得石墨烯成本低、品质高,适用于大规模产业化生产的优点。
Description
技术领域
本发明属于一种碳材料制备的技术领域,具体涉及一种煤基石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种新型二维结构的碳材料,由sp2碳原子紧密排列形成蜂巢状结构。石墨烯是目前所知的最薄、强度最大的材料,具有优良的导电、导热能力和光学性能。石墨烯的这些优良性能使其在众多领域都有潜在的应用前景,成为近期新型碳材料研究的热点。
石墨烯作为新型碳材料,集诸多优点于一身,但其比较昂贵的成本严重阻碍了下游产品的研发进程。因此,石墨烯的研究和应用对其原材料、制备方法提出了迫切的改革要求。石墨是目前制备石墨烯最主要的材料,其价格高达5000-8000元/吨,而且随着其被视为战略矿产资源后,价格仍在持续走高,这对于石墨烯成本的降低是不利的。我国煤炭资源丰富、价格低廉(200-300元/吨),含有缩合芳香环等基本结构单元和作为催化剂的矿物质等,这些特点决定了煤基材料可以作为制备石墨烯的碳源材料。目前,大量文献报道使用煤或焦炭来制备富勒烯和碳纳米管。而以煤基材料制备石墨烯的公开报道和文献还不多。
专利号CN103803540A公布了一种煤基石墨烯量子点的制备方法。该制备方法使用改进的Hummers法制备石墨烯量子点,将煤粉直接与浓硫酸或浓硝酸等强酸及高锰酸钾和硝酸钠等氧化剂反应,通过调节煤粉原料的尺寸、反应温度和时间、离心分离速率和时间以及透析袋的截留量得到尺寸可控的水溶性石墨烯量子点。但石墨烯量子点主要用于荧光成像领域,无法应用于储能、热管理等对电导率、热导率和尺寸要求较高的领域。
专利申请公布号CN103288076A公布了一种煤基原料制备多层石墨烯的方法。该方法采用微波加热煤基材料,制备多层石墨烯。虽然制备出的石墨烯具备石墨烯材料具备特有的宽化衍射峰,但仍具有典型的氧化石墨和石墨特征峰,说明其所制石墨烯为氧化石墨、石墨烯和石墨的混合物,剥离效率低,氧含量偏高。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷,提供一种原材料丰富、成本低廉,制备工艺简单,适用于大规模工业化生产的煤基石墨烯的制备方法。
为实现上述目的,本发明可以通过以下技术方案来实现,一种煤基石墨烯的制备方法其特征在于包括以下步骤:
(1)原料预处理
将原煤粉碎成80-500目的煤粉,然后按照煤粉:催化剂重量比为1:0.01-0.1,将煤粉与催化剂经球磨混合均匀,得到混合物;
(2)石墨化
将混合物在2000-3000℃下恒温1-24h,使其石墨化;
(3)氧化还原
将1重量份石墨化后的物料与40-120重量份浓硫酸在-5至5℃下搅拌均匀,然后加入3-5重量份高锰酸钾,在30-50℃反应30-90min,再加入40-100重量份去离子水,在90-100℃下继续反应15-30min,然后加入5-10重量份双氧水,搅拌均匀,再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经400-1200℃处理,得到煤基石墨烯。
所述的原煤为褐煤、烟煤、次烟煤、焦煤或无烟煤等。
所述的催化剂为铁粉、氧化铁、硫酸铁、镍粉、硫酸镍中的一种或几种。
所述的煤基石墨烯比表面积为580-1016m2/g,平均层数为2.6-4.5层,平均尺寸为8-24μm,碳氧原子比为8.7-40.2,电导率为6.5-18.1S/cm。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
(1)中国是世界煤炭大省,煤炭储量为1.48万亿吨,占世界总储量的18%。目前,煤炭价格持续低迷,仅为200-300元/吨。石墨是目前制备石墨烯最主要的材料,其价格高达5000-8000元/吨,而且随着其被视为战略矿产资源后,价格仍在持续走高。因此,采用煤制备石墨烯对于降低石墨烯生产成本,推动其大规模应用具有重要意义。
(2)采用金属或金属盐作为催化剂,在高温下将煤炭转变成类石墨结构。由于使用了催化剂,可有效降低石墨化温度,缩短石墨化时间,可大大降低石墨化过程的电能消耗。相比石墨,煤炭高温石墨化后的产物层间距更大,更容易被硫酸插层,进而被高锰酸钾氧化,因此,所得煤基石墨烯产品剥离效率更高,比表面积更大,且不易堆叠团聚。
(3)煤是多种具有芳香环结构的有机物组成的混合物。如果直接与浓硫酸和高锰酸钾等强氧化剂反应,大部分的有机物会被直接氧化成二氧化碳气体,无法通过氧化插层得到氧化石墨,所得产物仅为几个纳米的石墨烯量子点,且收率极低,得不到大量的石墨烯粉体。本专利通过高温催化石墨化,将煤中的芳环有机物转变成类石墨结构,可进一步进行氧化插层反应,最终得到高品质石墨烯。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的石墨烯扫描电镜照片;
图2为本发明实施例2制备的石墨烯的透射电镜照片;
图3为本发明实施例3制备的氧化石墨中间体和石墨烯的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明
实施例1
取无烟煤,粉碎至200目,与硫酸镍以1:0.01的质量比经球磨混合均匀。然后置于2000℃的石墨化炉恒温9h。取1g石墨化料与40份浓硫酸在-5℃下搅拌均匀,然后加入3g高锰酸钾,在30℃环境中反应30min。再加入40g去离子水,在90℃下继续反应15min,然后加入5g双氧水,搅拌均匀。再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经400℃处理,得高品质煤基石墨烯。经物理吸附仪测得其比表面积为580m2/g,平均层数为4.5层,采用原子力显微镜测得平均尺寸13μm,采用元素分析仪测得碳氧比8.7,采用粉末电阻仪测得电导率6.5S/cm。
实施例2
取褐煤,粉碎至80目,与硫酸镍、硫酸铁的混合物(硫酸镍与硫酸铁的质量比为1:2)以1:0.05的质量比经球磨混合均匀。然后置于3000℃的石墨化炉恒温1h。取1g石墨化料与60份浓硫酸在0℃下搅拌均匀,然后加入4g高锰酸钾,在40℃环境中反应40min。再加入50g去离子水,在95℃下继续反应20min,然后加入6g双氧水,搅拌均匀。再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经600℃处理,得高品质煤基石墨烯。经物理吸附仪测得其比表面积为674m2/g,平均层数为3.9层,采用原子力显微镜测得平均尺寸24μm,采用元素分析仪测得碳氧比10.3,采用粉末电阻仪测得电导率8.2S/cm。
实施例3
取烟煤,粉碎至325目,与镍粉以1:0.1的质量比经球磨混合均匀。然后置于2800℃的石墨化炉恒温24h。取1g石墨化料与80份浓硫酸在5℃下搅拌均匀,然后加入5g高锰酸钾,在35℃环境中反应50min。再加入60g去离子水,在98℃下继续反应25min,然后加入7g双氧水,搅拌均匀。再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经1000℃处理,得高品质煤基石墨烯。经物理吸附仪测得其比表面积为1016m2/g,,平均层数为2.6层,采用原子力显微镜测得平均尺寸10μm,采用元素分析仪测得碳氧比33.1,采用粉末电阻仪测得电导率13.4S/cm。
实施例4
取次烟煤,粉碎至500目,与铁粉、硫酸铁的混合物(铁粉与硫酸铁的质量比为1:3)以1:0.08的质量比经球磨混合均匀。然后置于2600℃的石墨化炉恒温5h。取1g石墨化料与100g浓硫酸在0℃下搅拌均匀,然后加入4g高锰酸钾,在45℃环境中反应60min。再加入70g去离子水,在100℃下继续反应30min,然后加入8g双氧水,搅拌均匀。再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经1000℃处理,得高品质煤基石墨烯。经物理吸附仪测得其比表面积为731m2/g,平均层数为3.6层,采用原子力显微镜测得平均尺寸8μm,采用元素分析仪测得碳氧比29.6,采用粉末电阻仪测得电导率12.6S/cm。
实施例5
取焦煤,粉碎至400目,与硫酸铁以1:0.02的质量比经球磨混合均匀。然后置于2200℃的石墨化炉恒温18h。取1g石墨化料与120g浓硫酸在-5℃下搅拌均匀,然后加入5g高锰酸钾,在50℃环境中反应90min。再加入100g去离子水,在90℃下继续反应25min,然后加入9g双氧水,搅拌均匀。再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经900℃处理,得高品质煤基石墨烯。经物理吸附仪测得其比表面积为823m2/g,平均层数为3.2层,采用原子力显微镜测得平均尺寸9μm,采用元素分析仪测得碳氧比21.4,采用粉末电阻仪测得电导率10.7S/cm。
实施例6
取无烟煤,粉碎至160目,与氧化铁、硫酸铁的混合物(氧化铁与硫酸铁的质量比为2:3)以1:0.06的质量比经球磨混合均匀。然后置于2800℃的石墨化炉恒温12h。取1g石墨化料与50g浓硫酸在5℃下搅拌均匀,然后加入3g高锰酸钾,在35℃环境中反应80min。再加入80g去离子水,在95℃下继续反应30min,然后加入10g双氧水,搅拌均匀。再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经1200℃处理,得高品质煤基石墨烯。经物理吸附仪测得其比表面积为607m2/g,平均层数为4.3层,采用原子力显微镜测得平均尺寸15μm,采用元素分析仪测得碳氧比40.2,采用粉末电阻仪测得电导率18.1S/cm。
Claims (4)
1.一种煤基石墨烯的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)原料预处理
将原煤粉碎成80-500目的煤粉,然后按照煤粉:催化剂重量比为1:0.01-0.1,将煤粉与催化剂经球磨混合均匀,得到混合物;
(2)石墨化
将混合物在2000-3000℃下恒温1-24h,使其石墨化;
(3)氧化还原
将1重量份石墨化后的物料与40-120重量份浓硫酸在-5至5℃下搅拌均匀,然后加入3-5重量份高锰酸钾,在30-50℃反应30-90 min,再加入40-100重量份去离子水,在90-100℃下继续反应15-30 min,然后加入5-10重量份双氧水,搅拌均匀,再经水洗纯化和干燥得氧化石墨粉体,经400-1200℃处理,得到煤基石墨烯。
2.如权利要求1所述的一种煤基石墨烯的制备方法,其特征在于所述的原煤为褐煤、烟煤、次烟煤、焦煤或无烟煤。
3.如权利要求1所述的一种煤基石墨烯的制备方法,其特征在于所述的催化剂为铁粉、氧化铁、硫酸铁、镍粉、硫酸镍中的一种或几种。
4.如权利要求1-3任一项所述方法制备的煤基石墨烯,其特征在于煤基石墨烯比表面积为580-1016m2/g,平均层数为2.6-4.5层,平均尺寸为8-24 μm,碳氧原子比为8.7-40.2,电导率为6.5-18.1 S/cm。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |