一種制備石墨烯的方法與流程

本發明屬于納米材料制備技術領域，具體涉及一種石墨烯的制備，主要用于合成石墨烯。

背景技術：

石墨烯自2004年被發現以來，由于其優異的熱學性能、力學性能、電學性能、機械性能和其他性能受到人們的廣泛關注，其中單層石墨烯的理論比表面積達到2650m²/g，導熱系數達到5300w/m·k，室溫下電子遷移率達到15000cm²/v·s，被全世界的科研工作者廣泛研究，石墨烯材料被應用在晶體管、鋰電池、超級電容器、傳感器、光電器件、水污染處理、柔性顯示器等，均具有巨大的潛在研究和應用價值。

隨著人們研究的深入，各種各樣的制備方法也隨之被人們開發出來，其中比較具有代表性的有微機械剝離、氧化還原法、化學氣相沉積法、外延生長法、化學合成法等。其中微機械剝離法是用膠帶反復粘結、剝離高度定向熱解石墨，再轉移到基底材料表面上，這種方法操作復雜，產量極低，不利于推廣和應用；氧化還原法石墨烯容易有結構缺陷、耗時長、所用有機溶劑毒性大、安全性低；化學氣相沉積法對設備要求高、工藝復雜且難以控制，成本太高；外延生長法單晶sic價格昂貴，制備條件茍刻，需要在高溫高真空下進行，從基底轉移困難；相比之下，化學合成法反應步驟復雜、費力耗時，催化劑會污染環境，且合成的石墨烯容易有結構缺陷，不利于大規模生產。然而，人們一直致力于找到一種操作簡單、無環境污染、生產成本低、可大規模生產的方法，以實現石墨烯的工業化生產和應用。

science與2004年306期666-669頁報道了單層碳薄膜的電場效應，文章中初次報道了石墨烯這種現在舉世矚目的材料，制備方法是用膠帶反復粘結、剝離高度定向熱解石墨，再轉移到基底材料表面上，首次得到了單層石墨烯。中國發明專利cn104386684b提出了一種制備石墨烯的新方法，即將農林廢棄物、茶葉和海藻類植物中的一種或幾種生物質進行預處理清洗干凈，然后加入金屬催化劑、溶劑在生物質上負載金屬催化劑，再加入造孔劑高溫碳化得到石墨烯。這種方法得到的石墨烯由于原料結構不確定而且原料不同，產物變化較大，不能得到確定結構和性質的石墨烯。中國發明專利cn102701193b提出了采用濕法制備和干法制備兩種方法，將碳素材料、磁性鋼針研磨體和溶劑，放入研磨容器中，密閉；將容器置入具有變換磁場的空間內，進行剝離，剝離后制得石墨納米微片-石墨烯的混合物，分離得到石墨烯。該方法得到的石墨烯不純分離不方便，而且制備過程耗時較長，對設備要求較高。

綜上所述，制備石墨烯的方法很少，能夠生產的就更加稀少，尋找操作簡單，性能穩定，可批量生產石墨烯的方法仍是巨大挑戰。

技術實現要素：

本發明目的在于克服現有技術缺陷，提供一種新的在溫和條件下制備石墨烯材料的方法，該方法步驟簡單，操作方便，對環境友好，利于工業化生產。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種制備石墨烯的方法，該方法包括如下步驟：

1）將糖類和金屬硝酸鹽水合物溶解于去離子水溶劑中，然后于150－300℃水熱反應0.1－3h，反應結束得到蓬松的固體產物，碾壓成粉末得到模板碳材料，其中，糖類和金屬硝酸鹽水合物的質量比為0.1－2：0.5－3；

2）將模板碳材料在惰性氣體氛圍（如n2環境）下于300－1000℃碳化1－6h，得到石墨烯材料，然后用酸溶液浸泡除去模板，經洗滌、干燥即得到石墨烯。

具體的，步驟1）中，所述糖類為乳糖、麥芽糖、半乳糖和蔗糖中的一種或兩種以上的混合物。

具體的，步驟1）中，所述金屬硝酸鹽水合物為六水合硝酸鋅、六水合硝酸鎳、六水合硝酸鈷和六水合硝酸鎂中的一種或兩種以上的混合物。

進一步的，步驟2）中，浸泡時所用酸溶液優選為濃度5－15%的稀鹽酸、稀硫酸和稀硝酸中的任意一種或兩種以上的混合物，浸泡時間為2－8h。

和現有技術相比，本發明的有益成果如下：

1）本發明中制備石墨烯的碳源首次選用乳糖、麥芽糖、半乳糖、蔗糖等糖類；

2）本發明制備石墨烯的工藝較為簡單，可重復性強、得到產物較多、反應條件容易達到，對設備要求低，在很大程度上降低生產成本；

3）采用本發明方法制備所得的石墨烯是一種三維片層多孔洞石墨烯材料，且具有較好的熱穩定性和水溶性，產量較高，容易工業化批量生產。

附圖說明：

圖1是實施例1水熱反應前溶液和得到的最終產物的照片；

圖2是實施例1制備得到的石墨烯的傅里葉變換紅外光譜圖；

圖3是實施例1制備得到的石墨烯的拉曼光譜圖；

圖4是實施例1制備得到的石墨烯的掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步地詳細介紹，但本發明的保護范圍并不局限于此。

實施例1

一種制備石墨烯的方法，具體為：將0.5g乳糖和1.0g六水合硝酸鋅在100ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到5ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉移到烘箱中于220℃水熱反應0.5h，反應結束得到蓬松的固體產物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環境下600℃碳化2h，得到石墨烯材料，再用10%稀鹽酸浸泡6h以除去模板，分別用乙醇、去離子水清洗，離心收集，干燥12h，即得到最終的0.1g石墨烯。

圖1是實施例1水熱反應前后對比照片，圖中可以明顯看出：產物是固體粉末樣，樣品均一性良好，樣品量較大。

圖2是實施例1制備得到的石墨烯的傅里葉變換紅外光譜圖，圖中3430cm^-1對應的是-nh-鍵的共振吸收峰，1614cm^-1對應的譜帶是c-n的共吸收峰，1400cm^-1和1264cm^-1對應的譜帶是芳香環的共振吸收峰，波譜分析說明制備所得的樣品是氮摻雜的碳材料。

圖3實施例1制備得到的石墨烯拉曼光譜圖，拉曼光譜主要有三個峰，g峰1584.58cm^-1和2d峰2800cm^-1顯示了材料石墨烯結構的特點，d峰為1352.59cm^-1表明樣品是多缺陷的石墨烯，id/ig=0.921也證明了這一點。拉曼表明樣品為多缺陷的石墨烯材料。

圖4是實施例1制備得到的石墨烯材料的掃描樣，可以看出樣品結構為三維多孔片層材料。

實施例2

一種制備石墨烯的方法，具體為：將0.5g麥芽糖和1.5g六水合硝酸鋅在100ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到5ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉移到烘箱中220℃水熱反應0.5h，反應結束得到蓬松的固體產物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環境下600℃碳化2h，得到石墨烯材料，再用10%稀硫酸浸泡6h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥12h，即得到最終的0.1g石墨烯。

實施例3

一種制備石墨烯的方法，具體為：將1.2g半乳糖和1.8g六水合硝酸鎳在500ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到20ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉移到烘箱中260℃水熱反應1h，反應結束得到蓬松的固體產物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環境下800℃碳化1h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡8h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥18h，即得到最終的0.24g石墨烯。

實施例4

一種制備石墨烯的方法，具體為：將2g蔗糖和2.5g六水合硝酸鈷在500ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到20ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉移到烘箱中280℃水熱反應3h，反應結束得到蓬松的固體產物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環境下400℃碳化4h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡3h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥8h，即得到最終的0.4g石墨烯。

實施例5

一種制備石墨烯的方法，具體為：將0.2g乳糖和0.8g六水合硝酸鎂在100ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到5ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉移到烘箱中240℃水熱反應2h，反應結束得到蓬松的固體產物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環境下600℃碳化3h，得到石墨烯材料，再用15%稀鹽酸浸泡6h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥12h，即得到最終的0.04g石墨烯。

實施例6

一種制備石墨烯的方法，具體為：將1.0g乳糖和3g六水合硝酸鋅在200ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到10ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉移到烘箱中240℃水熱反應1h，反應結束得到蓬松的固體產物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環境下600℃碳化31h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡6h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥12h，即得到最終的0.2g石墨烯。