CN106829939B - 一种制备石墨烯的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，然后置于搅拌器内；步骤二：密闭搅拌器后启动，持续搅拌10至200小时，使膨胀石墨蠕虫与卤盐充分接触；步骤三：取出卤盐和膨胀石墨蠕虫的混合物，置于水中清洗卤盐表面的石墨，将溶于盐水的石墨与卤盐分离，再将混有石墨烯的盐水多次用清水洗净，超声剥离后过滤，将固体物质烘干提纯，即得到所需的石墨烯。本发明的制备方法简单易行，对装置要求低，不需要复杂的操作手段即可完成。

Description

一种制备石墨烯的方法及装置

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种利用膨胀石墨制备石墨烯的方法及装置。

背景技术

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的的二维晶体。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。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″，科学家甚至预言石墨烯将″彻底改变21世纪″。

现有技术中，石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法，化学方法主要是是化学还原法与化学解离法。

最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。

取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80％后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。

化学还原法是将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。。化学解离法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应。

其中，可提取石墨烯纯度高、成本最低的方法就是机械分离法，但是存在产量低，对操作手法要求高，石墨分离不彻底的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有石墨烯制备技术中，存在成本高、操作复杂、纯度低的问题，进而提供一种制备石墨烯的方法。

本发明的技术方案是：一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，然后置于搅拌器内；

步骤二：密闭搅拌器后启动，持续搅拌10至200小时，使膨胀石墨蠕虫与卤盐充分接触；

步骤三：取出卤盐置于水中溶解，过滤出固体物质，再多次用清水洗净固体物质，对其超声剥离后过滤，最后烘干提纯，即得到所需的石墨烯。

进一步地，所述步骤一中，卤盐盐粒的直径为20～100mm。

进一步地，所述步骤一中，卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫的质量比为100∶(0.5～20)。

进一步地，所述步骤二中，搅拌温度为0～50℃。

进一步地，所述步骤三中，将固体物质烘干前进行超声破碎处理。

本发明还包括一种制备上述石墨烯的装置，包括石墨烯进料口1、滚筒2和支架3。

本发明具有如下有益效果：本发明主要利用了卤素与金属形成的盐类具有粘性的特点，将膨胀石墨与卤盐混合后置于滚筒搅拌器内不停搅拌，随着石墨与卤盐长时间接触，石墨逐层被卤盐粘到其表面上，达到了逐层剥离的效果。剥离后只需置于水中清洗卤盐表面的石墨，将溶于盐水的石墨与卤盐分离，再将混有石墨烯的盐水多次用清水洗净，超声剥离后过滤，将固体物质烘干提纯，即得到所需的石墨烯。并且得到的石墨烯中，单层石墨烯占的比重很大。综上，此种方法简单易行，对装置要求低，不需要复杂的操作手段即可完成。

附图说明

图1是本发明制备石墨烯装置的结构示意图。

本发明装置中各部件名称以及标号如下：

石墨烯进料口1、滚筒2、支架3。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

请参阅图1，一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，然后置于搅拌器内；

步骤二：密闭搅拌器后启动，持续搅拌10至200小时，使膨胀石墨蠕虫与卤盐充分接触；

步骤三：取出卤盐和膨胀石墨蠕虫的混合物，置于水中清洗过滤后，将固体物质烘干提纯，即得到所需的石墨烯。

步骤一中，卤盐盐粒的直径为50～100mm，卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫的质量比为100∶(0.5～20)，所述步骤二中，搅拌温度为0～50℃，所述步骤三中，将固体物质烘干提纯前进行超声破碎处理。

步骤一中的膨胀石墨蠕虫制备方法如下：

取天然鳞片石墨，在不断搅拌下将其加入硫酸和硝酸的混酸溶液中，再加入高锰酸钾，控制一定温度，然后再加入三氯化铁，搅拌，反应一定时间后，离心分离，用稀碱溶液浸洗，水洗至酸性，脱水后干燥即可得膨胀石墨。

步骤一种的卤盐为卤族元素和金属元素生成的盐类，常用且廉价的为氯化钠，氯化钾等。

步骤三中的提纯方法为现有技术中的常用方法。

本发明还包括一种制备上述石墨烯的装置，包括石墨烯进料口1、滚筒2和支架3。该装置主要作用是将卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，使两者长时间充分接触，达到充分剥离膨胀石墨的目的。本发明的装置并不仅限于此种形式，只要能到到上述目的设备即可。

实施例1

本实施例中一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将氯化钠盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，氯化钠盐粒的直径为50mm，氯化钠盐粒和膨胀石墨蠕虫的质量比为100∶0.5，然后置于搅拌器内；

步骤二：密闭搅拌器后启动，持续搅拌200小时，使膨胀石墨蠕虫与氯化钠盐粒充分接触，搅拌温度为0℃；

步骤三：取出氯化钠盐粒取出卤盐置于水中溶解，过滤出固体物质，再多次用清水洗净固体物质，对其超声剥离后过滤，最后烘干提纯，即得到所需的石墨烯。

实施例2

步骤一：将氯化钾盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，氯化钾盐粒的直径为100mm，氯化钾盐粒和膨胀石墨蠕虫的质量比为100∶20，然后置于搅拌器内；

步骤二：密闭搅拌器后启动，持续搅拌100小时，使膨胀石墨蠕虫与氯化钾盐粒充分接触，搅拌温度为30℃；

步骤三：取出氯化钾盐粒置于水中溶解，过滤出固体物质，再多次用清水洗净固体物质，对其超声剥离后过滤，最后烘干提纯，即得到所需的石墨烯。

实施例3

步骤一：将氯化钙盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，氯化钙盐粒的直径为80mm，氯化钙盐粒和膨胀石墨蠕虫的质量比为100∶10，然后置于搅拌器内；

步骤二：密闭搅拌器后启动，持续搅拌150小时，使膨胀石墨蠕虫与氯化钙盐粒充分接触，搅拌温度为25℃；

步骤三：取出氯化钙盐粒置于水中溶解，过滤出固体物质，再多次用清水洗净固体物质，对其超声剥离后过滤，最后烘干提纯，即得到所需的石墨烯。

本发明主要利用了卤素与金属形成的盐类具有粘性的特点，将天然石墨与卤盐混合后置于滚筒搅拌器内不停搅拌，随着石墨与卤盐长时间接触，石墨逐层被卤盐粘到其表面上，达到了逐层剥离的效果。剥离后只需简单将卤盐溶于水中，过滤后烘干就得到了所需的石墨烯。并且得到的石墨烯中，单层石墨烯占的比重很大。综上，此种方法简单易行，对装置要求低，不需要复杂的操作手段即可完成。

上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫混合均匀，然后置于搅拌器内，卤盐盐粒和膨胀石墨蠕虫的质量比为100∶(0.5～20)；所述卤盐选自氯化钠、氯化钾或氯化钙；

步骤二：密闭搅拌器后启动，持续搅拌10至200小时，使膨胀石墨蠕虫与卤盐充分接触；

步骤三：取出卤盐置于水中溶解，过滤出固体物质，再多次用清水洗净固体物质，对其超声剥离后过滤，最后烘干提纯，即得到所需的石墨烯，所述步骤一中，卤盐盐粒的直径为20～100mm。

2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，搅拌温度为0～50℃。

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