石墨烯及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于電化學領域,其公開了一種石墨烯及其制備方法;該石墨烯的制備方法包括步驟:制備氧化石墨烯懸浮液;制備鉀鹽與氧化石墨烯的混合溶液;制備石墨烯。本發明的石墨烯制備方法,該方法工藝比較簡單、對設備腐蝕少、環境污染小,反應溫度低,大大降低了能耗,能制得面積為1500~2900m2/g的石墨烯。
【專利說明】石墨烯及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石墨烯領域,尤其涉及一種石墨烯及其制備方法。
【背景技術】
[0002]英國曼徹斯特大學的安德烈.K.海姆(Andre K.Geim)等在2004年制備出石墨烯,由于其獨特的結構和光電性質受到了人們廣泛的重視。單層石墨由于其大的比表面積,優良的導電、導熱性能和低的熱膨脹系數而被認為是理想的材料。如:1,高強度,楊氏摩爾量,(1,IOOGPa),斷裂強度:(125GPa) ;2,高熱導率,(5,000W/mK) ;3,高導電性、載流子傳輸率,(200, 000cm2/V*s) ;4,高的比表面積,(理論計算值:2,630m2/g)。尤其是其高導電性質,大的比表面性質和其單分子層二維的納米尺度的結構性質,可在超級電容器和鋰離子電池中用作電極材料。 [0003]到目前為止,所知道的制備石墨烯的方法有多種,如:(1)微機械剝離法。這種方法只能產生數量極為有限石墨烯片,可作為基礎研究;(2)超高真空石墨烯外延生長法。這種方法的高成本以及小圓片的結構限制了其應用;(3)化學氣相沉積法(CVD)。此方法可以滿足規模化制備高質量石墨烯的要求,但成本較高,工藝復雜。(4)溶劑剝離法。此方法缺點是產率很低,限制它的商業應用;(5)氧化-還原法。此方法是最簡單可大量獲得石墨烯的一種普遍方法,比較常用的還原方法是化學還原(水合肼、乙二胺、硼氫化鈉等做還原劑)和快速熱還原,但是各種方法還原后,石墨烯都會存在一個團聚的過程,造成石墨烯的比表面積偏小,一般小于900m2/go
【發明內容】
[0004]基于上述問題,本發明所要解決的問題在于提供一種比表面積較高的石墨烯的制備方法。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]一種石墨烯的制備方法,包括如下步驟:
[0007]將氧化石墨加入到水中超聲分散處理,得到濃度為f20mg/ml的氧化石墨烯懸浮液;
[0008]將質量百分比濃度為30-50%的鉀鹽溶液加入到所述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌,得到鉀鹽與氧化石墨烯的混合溶液;
[0009]將上述得到混合溶液過濾,并將濾物進行干燥處理,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中并于惰性氛圍下進行高溫煅燒,冷卻后、水洗、過濾、干燥,得到所述石墨烯。
[0010]優選,所述石墨烯的制備方法,其中,所述超聲分散處理時間為0.5~3h。
[0011]優選,所述石墨烯的制備方法,其中,所述鉀鹽與氧化石墨烯的混合溶液中,鉀鹽與氧化石墨烯的質量比為50-500:1。
[0012]優選,所述石墨烯的制備方法,其中,所述干燥處理過程中,干燥處理溫度為6(T80°C,干燥處理時間為24~48h。[0013]優選,所述石墨烯的制備方法,其中,所述高溫煅燒時,溫度為80(Tl20(rC,煅燒時間為30~120min。
[0014]優選,所述石墨烯的制備方法,其中,所述鉀鹽為碳酸鉀、碳酸氫鉀、草酸鉀或醋酸鉀。
[0015]本發明還提供一種石墨烯,該石墨烯采用上述制備方法制得。
[0016]本發明提供的石墨烯的制備方法,采用鉀鹽活化在高溫時能形成的金屬鉀,當溫度超過鉀的沸點(762°C)時,鉀蒸氣會擴散進入不同的碳層,形成新的孔結構,同時碳酸鉀中的碳酸根離子與石墨烯中活性位點較高的碳反應形成一氧化碳氣體,一氧化碳在石墨烯片層間擴也形成新的孔結構,最終導致石墨烯比表面積的提高;該方法工藝比較簡單、對設備腐蝕少、環境污染小,反應溫度低,大大降低了能耗。
[0017]本發明制備的石墨烯,比表面積能夠達到150(T2900m2/g,高于一般熱還原的方法制備出的~900m2/g。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明石墨烯的制備工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0019]本發明提供的石墨烯的制備方法,如圖1所示,其工藝流程步驟如下:
[0020]S1、將氧化石墨加入到水中超聲分散0.5~3h,得到濃度為f20mg/ml的氧化石墨烯懸浮液;
[0021]S2、將質量百分比濃度為30-50%的鉀鹽溶液(加入到所述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌,得到鉀鹽(如,碳酸鉀、碳酸氫鉀、草酸鉀或醋酸鉀)與氧化石墨烯的混合溶液;其中,所述鉀鹽與氧化石墨烯的混合溶液中,鉀鹽與氧化石墨烯的質量比為50-500:1 ;
[0022]S3、將步驟S2得到的混合溶液過濾,濾物置于6(T80°C干燥處理24~48h,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中,并于惰性氛圍(優選氬氣氛圍)下、于80(Tl20(TC中高溫煅燒3(Tl20min,冷卻后、水洗、過濾、干燥得到石墨烯。
[0023]本發明提供的石墨烯的制備方法,采用鉀鹽活化在高溫時能形成的金屬鉀,當溫度超過鉀的沸點(762°C)時,鉀蒸氣會擴散進入不同的碳層,形成新的孔結構,同時碳酸鉀中的碳酸根離子與石墨烯中活性位點較高的碳反應形成一氧化碳氣體,一氧化碳在石墨烯片層間擴也形成新的孔結構,最終導致石墨烯比表面積的提高;該方法工藝比較簡單、對設備腐蝕少、環境污染小,反應溫度低,大大降低了能耗。
[0024]本發明制備的石墨烯,比表面積能夠達到150(T2900m2/g,高于一般熱還原的方法制備出的~900m2/g。
[0025]下面結合附圖,對本發明的較佳實施例作進一步詳細說明。
[0026]實施例1
[0027](I)將氧化石墨加入水中形成懸浮液,超聲分散0.5h,形成濃度為lmg/ml氧化石墨烯懸浮液,
[0028](2)配制質量百分比為30%的碳酸鉀溶液,將碳酸鉀溶液加入到上述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌lh,得到碳酸鉀與氧化石墨烯的混合溶液;其中;碳酸鉀與氧化石墨烯的質量比為50:1 ;
[0029](3)將上述步驟(2)得到的混合溶液進行過濾,濾物于60°C干燥48h,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中,800°C反應120min,冷卻后、水洗、過濾、干燥得到高比表面積的石墨烯。[0030]實施例2
[0031](I)將氧化石墨加入水中形成懸浮液,超聲分散3h,形成濃度為20mg/ml氧化石墨烯懸浮液,
[0032](2)配制質量百分比為50%的碳酸氫鉀溶液,將碳酸氫鉀溶液加入到上述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌5h,得到碳酸氫鉀與氧化石墨烯的混合溶液;其中;碳酸氫鉀與氧化石墨烯的質量比為500:1 ;
[0033](3)將上述步驟(2)得到的混合溶液進行過濾,濾物于80°C干燥24h,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中,600 V反應30min,冷卻后、水洗、過濾、干燥得到高比表面積的石墨烯。
[0034]實施例3
[0035](I)將氧化石墨加入水中形成懸浮液,超聲分散Ih,形成濃度為5mg/ml氧化石墨烯懸浮液,
[0036](2)配制質量百分比為35%的草酸鉀溶液,將草酸鉀溶液加入到上述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌2h,得到草酸鉀與氧化石墨烯的混合溶液;其中;草酸鉀與氧化石墨烯的質量比為300:1 ;
[0037](3)將上述步驟(2)得到的混合溶液進行過濾,濾物于65°C干燥42h,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中,4500C反應lOOmin,冷卻后、水洗、過濾、干燥得到高比表面積的石墨烯。
[0038]實施例4
[0039](I)將氧化石墨加入水中形成懸浮液,超聲分散2h,形成濃度為10mg/ml氧化石墨烯懸浮液,
[0040](2)配制質量百分比為40%的醋酸鉀溶液,將醋酸鉀溶液加入到上述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌3h,得到醋酸鉀與氧化石墨烯的混合溶液;其中;醋酸鉀與氧化石墨烯的質量比為200:1 ;
[0041](3)將上述步驟(2)得到的混合溶液進行過濾,濾物于70°C干燥36h,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中,500 0C反應75min,冷卻后、水洗、過濾、干燥得到高比表面積的石墨烯。
[0042]實施例5
[0043](I)將氧化石墨加入水中形成懸浮液,超聲分散1.5h,形成濃度為15mg/ml氧化石墨烯懸浮液,
[0044](2)配制質量百分比為45%的碳酸鉀溶液,將碳酸鉀溶液加入到上述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌4h,得到碳酸鉀與氧化石墨烯的混合溶液;其中;碳酸鉀與氧化石墨烯的質量比為400:1 ;
[0045](3)將上述步驟(2)得到的混合溶液進行過濾,濾物于75°C干燥30h,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中,550 0C反應50min,冷卻后、水洗、過濾、干燥得到高比表面積的石墨烯。
[0046]實施例6
[0047](I)將氧化石墨加入水中形成懸浮液,超聲分散1.3h,形成濃度為12mg/ml氧化石墨烯懸浮液,
[0048](2)配制質量百分比為38%的碳酸氫鉀溶液,將碳酸氫鉀溶液加入到上述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌3h,得到碳酸氫鉀與氧化石墨烯的混合溶液;其中;碳酸氫鉀與氧化石墨稀的質量比為100:1 ;
[0049](3)將上述步驟(2)得到的混合溶液進行過濾,濾物于77°C干燥28h,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中,520 0C反應60min,冷卻后、水洗、過濾、干燥得到高比表面積的石墨烯。
[0050]對實施例1飛制備的石墨烯通過BET測試得到的比表面積如表1所示:
[0051]表1
[0052]
【權利要求】
1.一種石墨烯的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 將氧化石墨加入到水中超聲分散處理,得到濃度為f20mg/ml的氧化石墨烯懸浮液; 將質量百分比濃度為30-50%的鉀鹽溶液加入到所述氧化石墨烯懸浮液中,攪拌,得到鉀鹽與氧化石墨烯的混合溶液; 將上述得到混合溶液過濾,并將濾物進行干燥處理,再將干燥后的濾物放入馬弗爐中并于惰性氛圍下進行高溫煅燒,冷卻后、水洗、過濾、干燥,得到所述石墨烯。
2.根據權利要求1所述的石墨烯的制備方法,其特征在于,所述超聲分散處理時間為0.5~3h。
3.根據權利要求1所述的石墨烯的制備方法,其特征在于,所述鉀鹽與氧化石墨烯的混合溶液中,鉀鹽與氧化石墨烯的質量比為50-500:1。
4.根據權利要求1所述的石墨烯的制備方法,其特征在于,所述干燥處理過程中,干燥處理溫度為60-80°C,干燥處理時間為24~48h。
5.根據權利要求1所述的石墨烯的制備方法,其特征在于,所述高溫煅燒時,溫度為80(ri200°C,煅燒時間為 30~120min。
6.根據權利要求1至5任一所述的石墨烯的制備方法,其特征在于,所述鉀鹽為碳酸鉀、碳酸氫鉀、草酸鉀或醋酸鉀。
7.—種石墨烯,其特征在于,該石墨烯采用權利要求1飛任一所述的制備方法制得。
【文檔編號】C01B31/04GK103833014SQ201210483596
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月23日 優先權日:2012年11月23日
【發明者】周明杰, 鐘玲瓏, 王要兵, 劉大喜 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司