CN110127681A - 一种催化与微波法制备石墨烯 - Google Patents

一种催化与微波法制备石墨烯 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种催化与微波法制备石墨烯。通过熔融盐法制备一阶三氯化铁石墨插层化合物，经过高温处理后得到蠕虫状石墨烯，浸入双氧水溶液中发生催化反应进一步剥离，加入稀盐酸去除铁离子并得到湿润的固相材料，微波加热充分剥离片层得到石墨烯材料。本发明方法中三氯化铁可以逐层插入石墨片层，有利于形成少层及单层石墨烯，双氧水利用三氯化铁分解产生的空隙快速进入片层间发生催化反应，有效剥离片层，盐酸和水分可以去除铁，通过微波处理后形成大量气体充分剥离材料。

Description

一种催化与微波法制备石墨烯
技术领域
本发明涉及石墨烯制备领域，尤其涉及一种催化与微波法制备石墨烯。
背景技术
石墨烯是一种完全由碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，其特殊的结构蕴含着丰富而新奇的物理现象，使其展现出许多优异性质，例如，最薄、最牢固、高硬度、高导热系数、高电子迁移率、几乎完全透明等特性，可用来发展更薄且导电速度更快的新一代电子元件、透明触控屏幕、气体传感器、复合材料、场发射材料等，广泛应用于电子、能源、化工、轻工、军工、航天及国防等领域。
微波法制备石墨烯具有反应周期短、高效率、绿色无污染等优点，所制备的石墨烯形貌较完整、缺陷少。微波加热时，热从材料内部产生而不是从外部吸收热源，自身整体同时升温，热能利用率高，材料整体温度梯度很小，区别于其他常规加热方式。石墨烯的π-π共轭结构对微波会产生强烈的吸收，是一种良好的吸波材料。微波法制备石墨烯时，前驱体吸收微波，微波能量通过石墨化结构中π电子的移动转化为热能，将前驱体中的含氧官能团以及掺杂的物质快速分解成CO2和H2O气体。当这些气体产生的压力超过片层间的范德华力时，石墨层之间剥离开，从而得到石墨烯。
但是，氧化石墨含氧量较多，其π-π共轭结构的尺寸减小，显著降低了其微波的吸收能力。有研究选择中度氧化的氧化石墨，有利于微波过程中吸收微波对其进行剥离和还原。也有研究在氧化石墨剥离过程中添加了少量的石墨烯，通过石墨烯吸收微波产生局部高热并将热量传递给周围的氧化石墨，能引发微波辐射下的雪崩般的脱氧反应。因此，寻找直接剥离前驱体石墨的方法可避免氧化石墨自带的微波吸收问题，其中，在石墨片层间逐层插入足量可分解产生气体的物质成为关键。
发明内容
提出了一种催化与微波法制备石墨烯。首先，通过熔融盐法制备一阶三氯化铁石墨插层化合物，经过高温处理后得到处于非典型状态下的交联在一起的蠕虫状石墨烯，其作用是逐层在石墨片层间产生空隙，但是其气体量不足以完全剥离开片层；然后，将蠕虫状石墨烯浸入双氧水溶液中进一步剥离，因为铁离子具备催化双氧水分解的能力，片层中仍存在铁，除了可以阻止石墨片层叠加，还能够辅助双氧水利用第一步产生的空隙快速发生催化反应，有效剥离片层；其次，加入稀盐酸溶液搅拌，抽滤去除铁离子并得到湿润的固相材料，片层间含有HCl以及H2O；最后，对湿润的固相材料进行微波加热，得到充分剥离的石墨烯材料。
本发明采用如下技术方案：
一种催化与微波法制备石墨烯，包括如下步骤：
(1)将无水FeCl3与石墨混合均匀，密闭于真空安瓶中，360-420℃温度下维持8-24h，将黑色产物一阶三氯化铁石墨插层化合物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，在保护气氛下高温处理，得到交联在一起的蠕虫状石墨烯；
(2)将蠕虫状石墨烯浸入双氧水溶液中，室温下搅拌30min，后静置0.5-4h；
(3)加入稀盐酸溶液并搅拌0.5-4h，抽滤，去除铁离子并得到湿润的固相材料；
(4)对湿润的固相材料进行微波加热，得到充分剥离的石墨烯材料。
步骤(1)中的无水FeCl3与石墨质量比为50∶1-4∶1。
步骤(1)中的高温温度800-1200℃，处理时间为3-15min。
步骤(2)中的双氧水质量分数为10-30％。
步骤(3)中的稀盐酸质量分数为10-20％。
步骤(4)中的微波功率为500-900W，微波频率为915MHz-2450MHz，微波时间为5-300s。
本发明具有如下优势：
(1)FeCl3可以逐层插入石墨片层，形成稳定的一阶石墨插层化合物，有利于形成少层及单层石墨烯。
(2)一阶三氯化铁石墨插层化合物高温处理后，片层间仍然存在铁，除了可以在溶液中阻止石墨片层叠加，双氧水利用三氯化铁分解产生的空隙快速进入片层间发生催化反应，有效剥离片层。
(3)稀盐酸可以通过双氧水分解形成的大量通道进入石墨片层间，并有效溶去除铁。
(4)盐酸和水分通过微波处理形成大量气体，可以充分剥离材料。
附图说明
图1为本发明方法制备一阶三氯化铁石墨插层化合物的XRD图。
图2为本发明方法中气体剥离石墨片层制备石墨烯过程的示意图。
图3为本发明方法制备石墨烯的扫描电镜图。
图4为本发明方法制备石墨烯的拉曼光谱图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将0.3g无水FeCl3与0.05g石墨混合均匀，真空密闭于20mL规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将黑色产物一阶三氯化铁石墨插层化合物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。
(2)将一阶三氯化铁石墨插层化合物置于氩气气氛下，800℃高温处理5min，得到交联在一起的蠕虫状石墨烯。
(3)将蠕虫状石墨烯浸入50mL质量分数为30％的双氧水溶液中，室温下搅拌30min，后静置2h。
(4)加入10mL质量分数为10％的稀盐酸溶液，搅拌1h，抽滤，得到湿润的固相材料。
(5)对湿润的固相材料进行微波加热，微波功率为700W，微波频率为2450MHz，微波时间为120s，得到充分剥离的石墨烯材料。
实施例2
(1)将0.3g无水FeCl3与0.05g石墨混合均匀，真空密闭于20mL规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将黑色产物一阶三氯化铁石墨插层化合物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。
(2)将一阶三氯化铁石墨插层化合物置于氩气气氛下，1000℃高温处理4min，得到交联在一起的蠕虫状石墨烯。
(3)将蠕虫状石墨烯浸入50mL质量分数为30％的双氧水溶液中，室温下搅拌30min，后静置2h。
(4)加入10mL质量分数为10％的稀盐酸溶液，搅拌1h，抽滤，得到湿润的固相材料。
(5)对湿润的固相材料进行微波加热，微波功率为700W，微波频率为2450MHz，微波时间为120s，得到充分剥离的石墨烯材料。
实施例3
(1)将0.3g无水FeCl3与0.05g石墨混合均匀，真空密闭于20mL规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将黑色产物一阶三氯化铁石墨插层化合物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。
(2)将一阶三氯化铁石墨插层化合物置于氩气气氛下，800℃高温处理5min，得到交联在一起的蠕虫状石墨烯。
(3)将蠕虫状石墨烯浸入50mL质量分数为30％的双氧水溶液中，室温下搅拌30min，后静置1h。
(4)加入10mL质量分数为10％的稀盐酸溶液，搅拌1h，抽滤，得到湿润的固相材料。
(5)对湿润的固相材料进行微波加热，微波功率为700W，微波频率为2450MHz，微波时间为120s，得到充分剥离的石墨烯材料。
实施例4
(1)将0.3g无水FeCl3与0.05g石墨混合均匀，真空密闭于20mL规格真空安瓶中，1h升温至380℃，维持12h。将黑色产物一阶三氯化铁石墨插层化合物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，待用。
(2)将一阶三氯化铁石墨插层化合物置于氩气气氛下，800℃高温处理5min，得到交联在一起的蠕虫状石墨烯。
(3)将蠕虫状石墨烯浸入50mL质量分数为30％的双氧水溶液中，室温下搅拌30min，后静置2h。
(4)加入10mL质量分数为10％的稀盐酸溶液，搅拌1h，抽滤，得到湿润的固相材料。
(5)对湿润的固相材料进行微波加热，微波功率为900W，微波频率为2450MHz，微波时间为60s，得到充分剥离的石墨烯材料。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种催化与微波法制备石墨烯，包括如下步骤：
(1)将无水FeCl3与石墨混合均匀，密闭于真空安瓶中，360-420℃温度下维持8-24h，将黑色产物一阶三氯化铁石墨插层化合物溶于稀盐酸溶液中，抽滤烘干，在保护气氛下高温处理，得到交联在一起的蠕虫状石墨烯；
(2)将蠕虫状石墨烯浸入双氧水溶液中，室温下搅拌30min，后静置0.5-4h；
(3)加入稀盐酸溶液并搅拌0.5-4h，抽滤，去除铁离子并得到湿润的固相材料；
(4)对湿润的固相材料进行微波加热，得到充分剥离的石墨烯材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的无水FeCl3与石墨质量比为50∶1-4∶1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的高温温度800-1200℃，处理时间为3-15min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的双氧水质量分数为10-30％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的稀盐酸质量分数为10-20％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的微波功率为500-900W，微波频率为915MHz-2450MHz，微波时间为5-300s。
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