CN106744886B - 一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其通过裂化处理初步弱化石墨层间范德华力，然后通过分子可插入到石墨层间的剥离剂来与薄层的石墨结合，起到对石墨的剥离作用，再通过气泡膨胀、爆炸的方式，再次弱化石墨层间结合力，以断开石墨层与层之间的联系，这样就可以得到石墨、石墨烯及剥离剂混合物，最后通过分离的方式将剥离剂去除后，再通过电化学萃取的方式从石墨与石墨烯的混合物中将石墨烯提取出来，就完成了石墨烯的制备，工艺简单、制备效率高、石墨烯纯度高，其制备过程中环保，不产生污染。

Description

一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法
【技术领域】
本发明属于碳材料技术领域，具体是涉及一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法。
【背景技术】
石墨烯由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点。石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，其理论比表面积高达2630m2/g，可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。但在使用石墨烯的过程中，遇到的最主要问题是目前无法对石墨烯进行大量生产。
目前，石墨烯的生产制备方法主要是两种，一种方法是机械剥离法，该方法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法，但是这种方法获得石墨烯的效率和纯度都极低，结果很不理想；第二种方法是氧化还原法，该方法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高锰酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，在石墨层与层之间插入氧化物，制得氧化石墨，然后将反应物进行水洗，并对洗净后的固体进行低温干燥，制得氧化石墨粉体，再通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离，制得氧化石墨烯，最后通过化学法将氧化石墨烯还原，得到石墨烯。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低，制备出来的石墨烯易发生团聚而难于分散，由于存在范德华相互作用，具有高比表面积的石墨烯趋向于形成不可逆的结块，甚至重新堆积形成石墨，从而影响了石墨烯大量的生产，同样限制了其应用。另外，该化学氧化还原法所采用的还原剂有毒性，对环境造成一定的污染。
因此，我们致力于寻找一种生产效率高、产品质量高、石墨烯纯度高，并且在制备过程中无污染的制备石墨烯的方法。
【发明内容】
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其工艺简单、制备效率高、石墨烯纯度高，且制备过程中环保，不产生污染。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，包括有如下步骤：
S1：将石墨初料进行筛选处理，得到石墨原料；
S2：在保护性气体氛围下，对石墨原料进行裂化处理；
S3：将剥离剂加入到裂化处理后的石墨原料中，充分搅拌30min～1h，使剥离剂的溶剂分子插层到石墨的层间，得到石墨-剥离剂混合溶液；所述的剥离剂为表面活性剂，其结合力大于石墨层间范德华力；
S4：利用气泡发生装置往石墨-剥离剂混合溶液内充气，使得粘附有薄层石墨的剥离剂疏水端被气体高度充盈，产生气泡，急巨级数增大体积；
S5：利用气泡爆炸装置引爆气泡，利用气泡爆炸的冲击力再次弱化石墨层间结合力，同时也弱化薄层石墨与剥离剂之间的结合力，得到石墨、石墨烯及剥离剂混合物；
S6：将上一步骤得到的石墨、石墨烯及剥离剂混合物进行离心脱水处理、干燥处理和烧结处理后，去除剥离剂，得到石墨与石墨烯的混合物；
S7：将石墨与石墨烯的混合物加入到反应釜中，往反应釜内加入电解液，使石墨与石墨烯的混合物完全浸泡于电解液中，再往反应釜内插入两电极，加直流电压持续电解，进行电化学萃取，石墨烯从石墨与石墨烯的混合物中分解出来开始上移，石墨沉淀于电解液中，得到上层的石墨烯电解液，和下层的石墨沉淀；
S8：将得到的石墨烯电解液进行分离处理和干燥处理后，得到石墨烯。
在进一步的改进方案中，还包括有步骤S9：将步骤S7中的石墨沉淀以及电解液加入到干燥机构中进行高温干燥处理，得到石墨。
在进一步的改进方案中，电解液为甲基吡咯烷酮。
在进一步的改进方案中，步骤S2中的裂化处理为微波加热处理。
在进一步的改进方案中，步骤S6中的烧结处理为保护气氛下的烧结处理。
在进一步的改进方案中，步骤S8中的分离处理为电解分离。
在进一步的改进方案中，步骤S8中的干燥处理为冷冻干燥处理。
在进一步的改进方案中，步骤S1中的筛选处理为过10000目筛选。
在进一步的改进方案中，所述的气泡爆炸装置为超声波装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：其通过裂化处理初步弱化石墨层间范德华力，然后通过分子可插入到石墨层间的剥离剂来与薄层的石墨结合，起到对石墨的剥离作用，再通过气泡膨胀、爆炸的方式，再次弱化石墨层间结合力，以断开石墨层与层之间的联系，这样就可以得到石墨、石墨烯及剥离剂混合物，最后通过分离的方式将剥离剂去除后，再通过电化学萃取的方式从石墨与石墨烯的混合物中将石墨烯提取出来，就完成了石墨烯的制备，工艺简单、制备效率高、石墨烯纯度高，其制备过程中环保，不产生污染。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
【具体实施方式】
一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，包括有如下步骤：
S1：将石墨初料进行筛选处理，得到石墨原料；
S2：在保护性气体氛围下，对石墨原料进行裂化处理，在本步骤中先通过裂化处理弱化石墨层间的范德华力，并拉大石墨层间的间距；
S3：将剥离剂加入到裂化处理后的石墨原料中，充分搅拌30min～1h，使剥离剂的溶剂分子插层到石墨的层间，得到石墨-剥离剂混合溶液；所述的剥离剂为表面活性剂，其结合力大于石墨层间范德华力，在石墨与剥离剂充分混合后，由于只有薄层的石墨才能弱结合地与剥离剂的疏水端结合，这样剥离剂的疏水端就会吸附少量、薄层的石墨；
S4：利用气泡发生装置往石墨-剥离剂混合溶液内充气，使得粘附有薄层石墨的剥离剂疏水端被气体高度充盈，产生气泡，急巨级数增大体积，在充气后，吸附有少量、薄层石墨的剥离剂疏水端就会逐渐拉大其与亲水端的间距；
S5：利用气泡爆炸装置引爆气泡，所述的气泡爆炸装置为超声波装置，利用气泡爆炸的冲击力再次弱化石墨层间结合力，以断开石墨层与层之间的联系，同时也弱化薄层石墨与剥离剂之间的结合力，根据能量最低原理，石墨层间未成对P轨道电子云有机会结合成环形π键，产生部分石墨烯，这样就可以得到石墨、石墨烯及剥离剂混合物；
S6：将上一步骤得到的石墨、石墨烯及剥离剂混合物进行离心脱水处理，用于去除剥离剂，并且在去除剥离剂后，再进行干燥处理和烧结处理，然后就可以得到石墨与石墨烯的混合物；
S7：将石墨与石墨烯的混合物加入到反应釜中，往反应釜内加入电解液，使石墨与石墨烯的混合物完全浸泡于电解液中，再往反应釜内插入两电极，加直流电压持续电解，进行电化学萃取，石墨烯从石墨与石墨烯的混合物中分解出来开始上移，石墨沉淀于电解液中，得到上层的石墨烯电解液，和下层的石墨沉淀；
S8：将得到的石墨烯电解液进行分离处理和干燥处理后，得到石墨烯。
S9：将步骤S7中的石墨沉淀以及电解液加入到干燥机构中进行高温干燥处理，得到石墨。
上述的电解液为电解液为甲基吡咯烷酮；保护气氛为氮气；剥离剂为C、H、O组成的有机物。
步骤S6中的烧结处理为保护气氛下的烧结处理；步骤S8中的分离处理为电解分离；步骤S8中的干燥处理为冷冻干燥处理；步骤S1中的筛选处理为过10000目筛选；所述的气泡爆炸装置为超声波装置。
尽管参照上面实施例详细说明了本发明，但是通过本公开对于本领域技术人员显而易见的是，而在不脱离所述的权利要求限定的本发明的原理及精神范围的情况下，可对本发明做出各种变化或修改。因此，本公开实施例的详细描述仅用来解释，而不是用来限制本发明，而是由权利要求的内容限定保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，包括有如下步骤：
S1：将石墨初料进行筛选处理，得到石墨原料；
S2：在保护性气体氛围下，对石墨原料进行裂化处理；
S3：将剥离剂加入到裂化处理后的石墨原料中，充分搅拌30min ~ 1h，使剥离剂的溶剂分子插层到石墨的层间，得到石墨-剥离剂混合溶液；所述的剥离剂为表面活性剂，其结合力大于石墨层间范德华力；
S4：利用气泡发生装置往石墨-剥离剂混合溶液内充气，使得粘附有薄层石墨的剥离剂疏水端被气体高度充盈，产生气泡，急巨级数增大体积；
S5：利用气泡爆炸装置引爆气泡，利用气泡爆炸的冲击力再次弱化石墨层间结合力，同时也弱化薄层石墨与剥离剂之间的结合力，得到石墨、石墨烯及剥离剂混合物；
S6：将上一步骤得到的石墨、石墨烯及剥离剂混合物进行离心脱水处理、干燥处理和烧结处理后，去除剥离剂，得到石墨与石墨烯的混合物；
S7：将石墨与石墨烯的混合物加入到反应釜中，往反应釜内加入电解液，使石墨与石墨烯的混合物完全浸泡于电解液中，再往反应釜内插入两电极，加直流电压持续电解，进行电化学萃取，石墨烯从石墨与石墨烯的混合物中分解出来开始上移，石墨沉淀于电解液中，得到上层的石墨烯电解液，和下层的石墨沉淀；
S8：将得到的石墨烯电解液进行分离处理和干燥处理后，得到石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，还包括有步骤S9：将步骤S7中的石墨沉淀以及电解液加入到干燥机构中进行高温干燥处理，得到石墨。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，电解液为甲基吡咯烷酮。
4.根据权利要求1所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤S2中的裂化处理为微波加热处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤S6中的烧结处理为保护气氛下的烧结处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤S8中的分离处理为电解分离。
7.根据权利要求1所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤S8中的干燥处理为冷冻干燥处理。
8.根据权利要求1所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤S1中的筛选处理为过10000目筛选。
9.根据权利要求1所述的一种基于萃取提纯技术制备石墨烯的方法，其特征在于，所述的气泡爆炸装置为超声波装置。
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