CN113636542A - 一种自下而上制备三维石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自下而上制备三维石墨烯的方法，将含双氨基的杂环化合物、氯化钠与无水乙醇充分物理混合，得到含双氨基的杂环化合物与氯化钠的共混物；共混物在惰性气体的保护下，在130～250℃保温0.5～2h，再升温到≥900℃保温0.5～1.5h，冷却，进行后处理，即得到三维石墨烯。本发明通过选择合适的前驱体，降低了石墨烯的生产成本，简化了生产工艺，可制备出高质量、低成本、可规模化生产的石墨烯粉体材料。

Description

一种自下而上制备三维石墨烯的方法

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，涉及一种自下而上制备三维石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯在2004年由Geim和Novoselov发现，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有超大比表面积(2630m2g-1)、良好的力学性能(1.0TPa)、高热导率(3080-5150Wm-1K-1)、高导电率(0.5-100Sm-1)等优异的物理化学性质[2]。因此在电子、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域具有巨大的应用潜力，被认为是一种未来革命性的材料。

在实际应用中，例如，作为储能和转换器件的电极材料，二维石墨烯层往往会重新堆积并失去其独特的特性，导致性能远低于理论值。解决这一问题的一种有效方法是将二维层构建成组织良好、相互连接的三维结构石墨烯。三维立体结构的石墨烯在保留二维石墨烯材料的优异的理化性能的基础上，有效解决了二维石墨烯层层之间存在的堆叠问题。

三维石墨烯结构的目的是在拥有石墨烯性能的同时兼具稳定性，而不是像类石墨烯那样虽拥有巨大的表面积却损失少层石墨烯独有性质。据此，可以明确定义3D石墨烯材料是非石墨烯的3D结构石墨烯材料。三维的石墨烯壁石墨烯材料应包含不超过10层的石墨烯层，并保持石墨烯材料的一般性能。迄今为止，已报到的合成的三维石墨烯包括：石墨烯球、石墨烯纤维、石墨烯管、石墨烯泡沫、石墨烯海绵、石墨烯气凝胶[、石墨烯网络，石墨烯垂直片，石墨烯笼等。

石墨烯合成工艺可分为自上向下和自下向上两种。自上而下的石墨烯生产方法通过化学氧化还原、液相剥离(LPE)、电化学剥离、固相剥离和电弧放电等方法转化石墨。在自下而上的生产中，碳前体，如含碳气体、芳香烃和聚合物，通过化学气相沉积(CVD)、激光和热裂解、外延生长和直接化学有机合成将其转化为石墨烯。

比较现有的各种方法发现，机械剥离法得到的石墨烯质量最高，但生产率低，可控性差；液相剥离方法会使用有毒且价高的高沸点溶剂，这既不环保，也不经济；氧化石墨烯(GO)还原氧化石墨烯(rGO)的化学还原方法已被广泛使用，因为它可以大规模生产单层石墨烯，然而，其中涉及强氧化剂和还原剂，在此过程中会引入结构缺陷和氧基团，使得通过这种方法制备的石墨烯质量较差。与自上而下的方法相比，自下而上可以通过使用化学气相沉积(CVD)、外延生长等在高温下处理非石墨物质来获得高质量的石墨烯。化学气相沉积(CVD)法可以实现大规模高质量生长石墨烯，且同时具有可观的产率和较易转移的特点，但CVD法制备石墨烯对设备要求高，造价昂贵不适合大批量生产；外延生长可以得到大规模的石墨烯薄膜，但衬底较为昂贵，且较难转移。

在三维石墨烯的制备中，通常会引入模板，前驱体包覆在模板上，通过高温碳化即可形成与模板具有相反形状的碳结构。恰当的模板的引入可以用来调整孔隙结构，也可以作为支撑防止石墨烯团簇，从而实现材料的规模化制备。常用的模板有：泡沫镍、二氧化硅球、聚苯乙烯球、MgO、CaO等碱性金属氧化物、无机盐等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自下而上制备三维石墨烯的方法。

本发明提供的自下而上制备三维石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)将含双氨基的杂环化合物、氯化钠与无水乙醇充分物理混合，得到含双氨基的杂环化合物与氯化钠的共混物；

(2)将步骤(1)得到的共混物在惰性气体的保护下，在130～250℃保温0.5～2h，再升温到≥900℃保温0.5～1.5h，冷却，进行后处理，即得到三维石墨烯。

其中，步骤(1)所述的含双氨基的杂环化合物为含双氨基的六元杂环化合物或含双氨基的稠环化合物；优选地，所述含双氨基的杂环化合物为间苯二胺、二氨基噻唑或氨苯蝶啶中的至少一种。

其中，步骤(1)所述的含双氨基的杂环化合物与氯化钠的质量比为1:20；优选地，所述含双氨基的杂环化合物、氯化钠与无水乙醇的质量比为1:20:15。

其中，步骤(1)所述的物理混合为球磨混合，球磨转速为450～550r/min，球磨时间为5～7h；优选地，球磨转速为500r/min，球磨时间为6h；

其中，步骤(1)得到的共混物烘干后再进行步骤(2)的处理；优选地，烘干的温度为80℃，烘干时间为8h。

其中，步骤(2)所述的惰性气体为氮气。

其中，步骤(2)将步骤(1)得到的共混物在惰性气体的保护下，在150℃保温1h，再升温到900℃或1500℃保温1h。

其中，步骤(2)的升温速率为5℃/min。

其中，步骤(2)所述的后处理方法为用乙醇或去离子水清洗之后再干燥；所述干燥的方法优选为在80℃干燥8h。

本发明的有益效果

本发明选择了含双氨基的杂环化合物作为前驱体碳源，以氯化钠作为模板，作为碳源的化合物溶于乙醇，通过球磨的方法均匀包裹在模板晶体表面，再通过高温热处理，前驱体通过氨基热聚裂解形成了具有三维结构的石墨烯；通过调节前驱体的种类，可以实现单原子掺杂、双原子掺杂、多元掺杂；通过调节前驱体的比例，可以对石墨烯掺杂元素的含量进行调整；通过调整前驱体和氯化钠的比例，可以对石墨烯的形貌进行微观调控，或通过对高温处理温度的调整，可以调整产品的石墨烯化程度。

本发明通过选择合适的前驱体，降低了石墨烯的生产成本，简化了生产工艺，可制备出高质量、低成本、可规模化生产的石墨烯粉体材料。

附图说明

图1为本发明实施例1的三维石墨烯扫描电镜图；

图2为本发明实施例2-实施例5的三维石墨烯扫描电镜图；

图3为本发明实施例6的三维石墨烯扫描电镜图；

图4为本发明实施例7的三维石墨烯扫描电镜图；

图5为本发明实施例8与实施例1的材料扫描电镜图对比；

图6为本发明实施例2～实施例5的三维石墨烯样品红外数据图；

图7为本发明实施例1、实施例4的三维石墨烯样品拉曼图；

图8和图9为本发明实施例2～实施例5的三维石墨烯样品BET比表面积测试图；

图10和图11为添加有本发明的三维石墨烯的基础油的摩擦磨损性能图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

(1)将1g间苯二胺和20g氯化钠置于球磨罐中，加入少许无水乙醇，500r/min球磨6h，至样品粘稠不分相(通过SEM观察其混合物粒径在3-5μm)，得到共混物，将共混物在80℃烘干8h；

(2)将步骤(1)烘干后的共混物在氮气的保护下，保持升温速率为5℃/min，在150℃保温1h，再升温到900℃保温1h，冷却，用去离子水清洗，80℃干燥8h，得到蓬松的黑色粉末，即为三维石墨烯。

实施例2～实施例5

(1)将间苯二胺和氯化钠置于球磨罐中，实施例2～实施例5的间苯二胺和氯化钠用量如表1所示，加入少许无水乙醇，500r/min球磨6h，至样品粘稠不分相(通过SEM观察其混合物粒径在3-5μm)，得到共混物，将共混物在80℃烘干8h；

(2)将步骤(1)烘干后的共混物在氮气的保护下，保持升温速率为5℃/min，在150℃保温1h，再升温到1500℃保温1h，冷却，用去离子水清洗，80℃干燥8h，得到蓬松的黑色粉末，即为三维石墨烯。

表1实施例2～实施例5的间苯二胺和氯化钠用量

实施例	间苯二胺(g)	氯化钠(g)
			实施例2	1	5
实施例3	1	10
			实施例4	1	20
实施例5	1	40

实施例6

(1)将1g氨苯蝶啶和20g氯化钠置于球磨罐中，加入少许无水乙醇，500r/min球磨6h，至样品粘稠不分相(通过SEM观察其混合物粒径在3-5μm)，得到共混物，将共混物在80℃烘干8h；

(2)将步骤(1)烘干后的共混物在氮气的保护下，保持升温速率为5℃/min，在150℃保温1h，再升温到1500℃保温1h，冷却，用去离子水清洗，80℃干燥8h，得到蓬松的黑色粉末，即为三维石墨烯。

实施例7

(1)将1g盐酸普拉克索中间体(S)-2,6-二氨基-4,5,6,7-四氢苯并噻唑和20g氯化钠置于球磨罐中，加入少许无水乙醇，500r/min球磨6h，至样品粘稠不分相(通过SEM观察其混合物粒径在3-5μm)，得到共混物，将共混物在80℃烘干8h；

(2)将步骤(1)烘干后的共混物在氮气的保护下，保持升温速率为5℃/min，在250℃保温1h，再升温到1500℃保温1h，冷却，用去离子水清洗，80℃干燥8h，得到蓬松的黑色粉末，即为三维石墨烯。

实施例8制备氮硫共掺杂的立体构造石墨烯

(1)将1g间苯二胺和1.2g过硫酸铵于研钵中充分研磨5分钟，得到共混物；

(2)将步骤(1)的共混物在氮气的保护下，保持升温速率为5℃/min，在350℃保温1h，650℃保温1h，再升温到900℃保温1h，冷却，用去离子水清洗，80℃干燥8h，得到黑色粉末，即为氮硫共掺杂的立体构造石墨烯。

扫描电镜检测

将实施例1～实施例7制备得到的三维石墨烯在扫描电镜下观察。

图1为实施例1的三维石墨烯扫描电镜图；

图2为实施例2-实施例5的三维石墨烯扫描电镜图；

图3为实施例6的三维石墨烯扫描电镜图；

图4为实施例7的三维石墨烯扫描电镜图。

图5为实施例8与实施例1的材料扫描电镜图对比，左图为实施例8，右图为实施例1。

图1和图2所采用的前驱体都是间苯二胺，但间苯二胺与模板的比例不同，而且高温处理温度也不同。从图1和图2的对比可以看出二者宏观形貌没有太大的区别，但1500℃高于氯化钠沸点，在这一温度条件下，氯化钠直接挥发，不需要经过任何后处理便可以得到三维石墨烯粉体材料，通过对实施例1和实施例2的XPS分析，在不同温度热处理条件下，石墨烯中氮含量不同，900℃制备的石墨烯氮含量为7.11％，1500℃制备的石墨烯氮含量为0.69％，说明了该制备方法在大于900℃的热处理温度条件下，都可以制备得到三维石墨烯粉体材料，但随着温度升高，石墨烯的含氮量减少。

从图2还可以看出，当间苯二胺与氯化钠模板的加入比例不同时，随着氯化钠的比例增加，三维石墨烯样品变得更加薄。

从图1-图4可以看出，本发明的方法制备得到的三维石墨烯材料具有类似的形貌结构，均由质地轻薄、蓬松的碳层经弯曲折叠构成，同时蓬松的薄碳层结构为材料提供很大的比表面积。

从图5可以看出，实施例1的三维石墨烯与实施例8氮硫共掺杂立体石墨烯都呈现立体构造结构，氮硫共掺杂立体石墨烯发生堆叠，三维石墨烯分布更加均匀且分散图。

实施例9

对实施例2样品使用傅里叶变换红外光谱仪对不同温度状态进行红外光谱检测，得到的红外数据图如图6所示，从图6中可以看出，在150℃的时候间苯二胺氨基自聚已经转变为聚间苯二胺，这说明在整个三维石墨烯制备过程中，前驱体在氯化钠表面经历从低温热聚到经过高温裂解成石墨烯这一过程，150℃足够的保温保温时间使间苯二胺充分热聚形成聚间苯二胺，保证了后边石墨烯的产率。

实施例10

将对实施例1、实施例4的三维石墨烯样品使用显微拉曼光谱仪检测，得到的拉曼图如图7所示，从图7中可以看出，随着热处理温度的升高石墨烯材料的石墨化程度也逐渐提高，且2D峰的存在说明材料中存在石墨烯片层结构。

实施例11

对实施例2～实施例5的三维石墨烯样品进行BET比表面积测试，结果如图7和图8所示，在图8和图9中，最上方的线条是实施例5的样品，中间的是实施例4的样品，实施例3和实施例2的样品均处在最低处，重叠在一起。从图8和图9中可以看出，随氯化钠比例的增加，石墨烯比表面积也随之增大。

实施例12

将实施例5制备得到的三维石墨烯(3DG)作为添加剂，加入基础油中，检测基础油的摩擦磨损性能，同时，以剥离石墨烯(PG)、电弧法石墨烯(ADG)作为对照，摩擦系数如图10所示，磨损量如图11所示，从图10可以看出，在基础油中添加实施例5的三维石墨烯之后，其平均摩擦系数有明显降低，从图11可以看出，在基础油中添加实施例5的三维石墨烯之后，磨损量有明显降低。

Claims (10)

1.一种自下而上制备三维石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将含双氨基的杂环化合物、氯化钠与无水乙醇充分物理混合，得到含双氨基的杂环化合物与氯化钠的共混物；

(2)将步骤(1)得到的共混物在惰性气体的保护下，在130～250℃保温0.5～2h，再升温到≥900℃保温0.5～1.5h，冷却，进行后处理，即得到三维石墨烯。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的含双氨基的杂环化合物为含双氨基的六元杂环化合物或含双氨基的稠环化合物。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的含双氨基的杂环化合物为间苯二胺、二氨基噻唑或氨苯蝶啶中的至少一种。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的含双氨基的杂环化合物与氯化钠的质量比为1:20。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的物理混合为球磨混合，球磨转速为450～550r/min，球磨时间为5～7h。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)得到的共混物烘干后再进行步骤(2)的处理。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的惰性气体为氮气。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)将步骤(1)得到的共混物在惰性气体的保护下，在150℃保温1h，再升温到900℃或1500℃保温1h。

9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的后处理方法为用乙醇或去离子水清洗之后再干燥；所述干燥的方法优选为在80℃干燥8h。

10.按照权利要求1-9任一方法制备得到的三维石墨烯。

Images