CN106082182A - 一种石墨插层化合物的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨插层化合物的制造方法，该方法采用去离子水作为插层剂，对鳞片石墨进行插层；鳞片石墨的颗粒度为100‑200微米。用该方法所得到的石墨插层化合物中，石墨层间距可达到0.62nm‑1.13nm，有利于后续石墨稀的剥离。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨插层化合物的制造方法，属新型碳材料制造技术领域。
背景技术
石墨烯是只有一层碳原子厚的新型碳材料，具有广泛的应用前景。制造石墨烯的原料是鳞片石墨，石墨是由单层的石墨烯堆叠而成，层间距约为0.335nm，层与层之间由于范德华力的作用而呈叠层状态。制造石墨烯时常用化学插层氧化法，即用硫酸、硝酸、高氯酸等强酸与高锰酸钾、硝酸钠、双氧水、高氯酸钾等强氧化剂混合作为插层剂，氧化剂，制备成氧化石墨后，再经高温剥离，超声剥离，得单层或寡层氧化石墨烯。氧化石墨烯经硼氢化钠，水合肼类强还原剂处理得石墨烯。
用强酸和强氧化剂插层石墨时，由于石墨层间距只有0.335mm。石墨本身又具疏水性，强酸进入石墨层间的扩散速度很长，扩散很慢，其反应时间需数十小时到3-4天不等。由于硫酸等强酸的表面胀力及石墨层间杂离子的干扰，插层剂不能插入到石墨层中心，当热剥离或超声剥离时，由于插层剂没有完全将全部石墨层间距撬开，层间的范德华力还很强，所以剥离困难，剥离效率极低。有些实验中剥离效果只能达到几个毫克/升。用这种方法实现石墨烯的工业化生产几乎是不可能的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨插层化合物的制造方法，该方法可用水做插层剂做石墨插层化合物，具体是采用去离子水作为插层剂，对鳞片石墨进行插层；鳞片石墨的颗粒度为100-200微米。
进一步，采用去离子水对鳞片石墨进行插层时，鳞片石墨浸泡在去离子水中，浸泡时间与浸泡温度的关系为：H＝17.5-0.1785T，上述H为浸泡时间；T为浸泡温度，T取值范围为15-99℃；达到浸泡时间后，过滤并离心脱水，将得到的鳞片石墨烘干，制得以水为插层剂的石墨插层化合物。采用上述公式计算得到的浸泡时间为最短时间，为取得更好的效果，可适当延长浸泡时间。上述温度T的取值范围优选为78-99℃；进一步优选为95-99℃。
上述鳞片石墨优选在80-200℃下进行烘干，以使鳞片石墨中的水分能够控制在一定范围内，以利于在用硫酸、高锰酸钾等插层剂、氧化剂制备石墨稀时，硫酸和高锰酸钾等插层剂、氧化剂能够顺利地进入到鳞片石墨的片层中。
进一步，鳞片石墨的含碳量≥99质量％。
水是最环保、最廉价的插层剂，当鳞片石墨进入水中后，在一定温度条件下可插入石墨层间；由于石墨烯的导热性很好，当水分子插入石墨层间后，在一定温度下反应可破坏石墨层间的范德华力，扩大石墨层的间距。
水插层后石墨层间距可扩大到0.62nm-1.13nm。层间距越大范德华结合力越小，越容易剥离石墨烯。
采用本发明对鳞片石墨进行处理后，由于水分子的存在，当继续用硫酸、高锰酸钾等插层剂、氧化剂制备石墨稀时，硫酸和高锰酸钾更易插入到石墨层间，极大的加快了插层的反应时间。水插层后，石墨层间距扩大2-3倍，插层阻力减小更有利于硫酸等插层剂、氧化剂快速插入层间，缩短后续酸插层氧化时间10-20倍，仅0.5-1.0h即可。水插层后，为石墨烯制造的后续工序提供了良好的通道，可极大的缩短插层反应时间，提高化学剥离、高温剥离、超声剥离石墨烯的效率3-10倍，使石墨烯剥离浓度由几十毫克/升提高到几百毫克-几千毫克/升。
具体实施方式
实施例1
取含碳量≥99质量％、颗粒度为150-200微米的石墨300kg，加去离子水700kg，置水泥池中，在15℃下浸泡15.1-16天；然后过滤并离心脱水，在180-200℃下干燥除去多余水分，重量法检测出石墨层间的含水率，达到后续工艺要求后即为水插层石墨。在本实施例中，可将石墨层间距扩大到0.62-0.70nm。
以本实施例所制作的水插层石墨为原料，用硫酸和高锰酸钾为插层剂进行石墨稀的制作，仅需要1小时即可进行石墨粉滤出，进行石墨稀的剥离，石墨稀溶液中的浓度可达到300-400毫克/升。
实施例2
取含碳量≥99质量％、颗粒度为100-200微米的石墨300kg，加去离子水700kg，置水泥池中，在25℃下浸泡13-15天；然后过滤并离心脱水，在80-85℃下干燥除去多余水分，重量法检测出石墨层间的含水率，达到后续工艺要求后即为水插层石墨。在本实施例中，可将石墨层间距扩大到0.65-0.85nm。
以本实施例所制作的水插层石墨为原料，用硫酸和高锰酸钾为插层剂进行石墨稀的制作，仅需要0.7小时即可进行石墨粉滤出，进行石墨稀的剥离，石墨稀溶液中的浓度可达到900-1100毫克/升。
实施例3
取含碳量≥99质量％、颗粒度为100-200微米的石墨150kg，加去离子水850kg，置搪瓷反应釜中，加热浸煮，当水温达到95℃-99℃时，恒温反应2-6小时后，冷却、过滤、离心脱水，80℃-85℃烘干除去多余水分，本实施例可将石墨层间距扩大到0.82-1.13nm。
以本实施例所制作的水插层石墨为原料，用硫酸和高锰酸钾为插层剂进行石墨稀的制作，仅需要0.5小时即可进行石墨粉滤出，进行石墨稀的剥离，石墨稀溶液中的浓度可达到1500-2000毫克/升。
Claims (6)
1.一种石墨插层化合物的制造方法，其特征在于，采用去离子水作为插层剂，对鳞片石墨进行插层；鳞片石墨的颗粒度为100-200微米。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，采用去离子水对鳞片石墨进行插层时，鳞片石墨浸泡在去离子水中，浸泡时间与浸泡温度的关系为：
H＝17.75-0.1785T，
上述H为浸泡时间；T为浸泡温度，T取值范围为15-99℃；
达到浸泡时间后，过滤并离心脱水，将得到的鳞片石墨烘干，制得以水为插层剂的石墨插层化合物。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，T取值范围为78-99℃。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，T取值范围为95-99℃。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，鳞片石墨在80-200℃下进行烘干。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，鳞片石墨的含碳量≥99质量％。
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