一種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法，屬于工藝技術領域。
【背景技術】
[0002] 石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的碳質新材料。石墨 烯的發現宣告了真正意義上獨立存在的二維材料，石墨烯吸光率僅為2. 3% ;導熱系數高達 5300W/m?K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過15000cm2/V?s，而電阻率只 約KT6Q?cm，比銅或銀更低，為電阻率最小的材料。由于其優異的力學性能、熱學性能、電 學性能等，使其在物理學、化學、微電子學等領域有著廣泛的應用前景和較高的應用價值。
[0003] 石墨烯的高機械強度，使其能夠用于微機電和納機電系統期間的制造，在宏觀領 域在超輕防彈衣、超薄超輕型飛機材料等，也有著無與倫比的優勢。此外，石墨烯減小到納 米尺度甚至單個苯環同樣保持很好的穩定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。由 于石墨烯鋸齒形邊緣態的存在，使石墨烯納米帶有望成為納米子軒電子學中的基本組件， 實現納米電子器件的功能。
[0004] 傳統石墨烯制備方法主要有：機械剝離法、化學氧化法、晶體外延生長法、化學氣 相沉積法、溶劑剝離法。機械剝離法通過實驗用膠帶反復剝離的方式獲得單層石墨烯，具有 較高的質量，但存在產率低和成本高的不足，不滿足工業化生產要求。化學氧化法通過合成 氧化石墨烯后通過還原氧化石墨烯得到石墨烯薄膜，這種方法工藝簡單、成本低廉，但制備 出的石墨烯質量較低。晶體外延生長法指通過加熱單晶SiC脫除Si，從而得到在SiC表面 外延的石墨條。這種方法條件苛刻（尚溫、尚真空）、且制造的石墨條不易以從襯底上分尚 出來，難以能成為大量制造石墨烯的方法。化學氣相沉積是反應物質在相當高的溫度、氣態 條件下發生化學反應，生成的固態物質沉積在加熱的固態基體表面，進而制得石墨烯薄膜 的工藝技術。化學氣相沉積法可滿足規模化制備高質量、大面積石墨烯的要求，但現階段成 本較高、工藝復雜。溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散 液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，進行層層剝離，制備出石墨烯。此種方法 與插層剝離類似，產物中單層率不高，且長時間超聲可能會破壞石墨烯的結構，所得的片層 尺寸也較小。綜上，對于石墨烯制備方面，目前沒有一種制備方法足夠成熟，可應用于低成 本的大規模生產。
【發明內容】
[0005] 針對現有石墨烯的制備方法對反應儀器要求高、反應時間長、石墨烯結晶性差、能 耗和生產成本高且工藝要求高的缺陷，本發明的目的在于提供一種利用電爆炸制備石墨烯 材料的方法，所述方法生產要求低，工藝控制簡單，無需進行復雜的工藝控制即可獲得結晶 性好的石墨烯粉體。
[0006] 其中，電爆炸是指在一定的介質（不同氣體、液體）中或真空條件下，通過大電容 高壓放電，使極高的電流通過金屬、非金屬細絲，歐姆加熱效應使足夠大的能量在絲或箔內 迅速積聚，使絲發生相變，發生爆炸聲和閃光等復雜的物理過程。強大的電流使導體熔化、 汽化、膨脹形成沖擊波且伴隨等離子態氣體團的形成和擴散，具有較強的力、光、熱、電磁等 效應。
[0007] 本發明的目的由以下技術方案實現：
[0008] -種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法，所述方法具體步驟如下：
[0009] (1)組裝和調試電爆炸系統，使電爆炸罐上的兩個電極的間距為50mm±0. 5mm;將 純度大于等于99. 9%的石墨棒固定于所述電極之間；
[0010] (2)向電爆炸罐中加入蒸餾水，將電爆炸罐密封；其中，蒸餾水的添加量為沒過電 極2~3cm;
[0011] (3)向電爆炸系統中的高壓電容組充電，使高壓電容組的電壓達18~25kV，啟動 電爆炸系統，進行放電；
[0012] (4)待高壓電容組的電壓為OkV時，打開電爆炸罐，收集電爆炸罐內的懸濁液；
[0013] (5)將懸濁液進行超聲分散，靜置使懸濁液中的固體顆粒充分沉降，過濾，取濾液 進行觀察；若在濾液中通過肉眼能觀察到固體顆粒，則重復進行靜置和過濾處理；若在濾 液中通過肉眼不能觀察到固體顆粒，則進入步驟（6);
[0014] (6)向濾液中加入質量分數為20%的鹽酸，于50~70°C下反應5~10h，過濾，得 到固體a;用去離子水洗絳固體a至pH= 7,于-50~-55°C下真空干燥24~48h，得到本 發明所述石墨烯材料；所述濾液與鹽酸的體積比為1:2~4。
[0015] 其中，步驟（1)所述電爆炸系統主要包括充電電源、高壓電容組和電爆炸罐；所述 充電電源、高壓電容組和電爆炸罐通過線纜依次連接；其中，所述高壓電容組的電容值為 78. 8yF，電壓在10~30kV內連續可調；所述電爆炸罐主要包括進氣閥、排氣閥、罐蓋、電 爆炸罐本體、絕緣耐高溫尼龍塊、固定銷、電極棒、固定接頭、電極夾頭，以及外圍設備真空 泵；其中，所述電爆炸罐本體上部設有可拆卸的罐蓋，兩者之間設有密封圈；在罐蓋上設有 進氣閥和排氣閥；兩根電極棒分別通過絕緣耐高溫尼龍塊和固定銷相對安裝在電爆炸罐本 體上，所述電極棒穿過電爆炸罐本體，一端位于電爆炸罐本體內部，另一端位于電爆炸罐本 體外部；通過固定接頭將電極夾頭安裝在電極棒位于電爆炸罐本體內部的一端；真空泵通 過排氣閥與電爆炸罐連接；
[0016] 所述電爆炸罐本體的壁厚為20mm，內徑為? 120mm，深為150mm，構成材料為不銹 鋼；
[0017] 步驟⑴所述石墨棒直徑優選?3. 5mm，長度優選55 ±0. 5mm;
[0018] 步驟（5)所述超聲分散參數為：超聲波發生器功率優選100W，超聲時間優選Ih; 所述靜置時間優選20~30h;
[0019] 有益效果
[0020] (1)本發明所述方法對生產要求低，工藝控制簡單，無需進行復雜的工藝控制，所 述方法制備得到的石墨烯材料結晶性好，石墨烯分子層數僅為1~6層，屬于寡層石墨烯。
[0021] (2)本發明所述方法生產成本低，采用的電爆炸罐無需采用特種鋼材或其他有色 金屬合金材料，便于加工，且原料易得。
【附圖說明】
[0022] 圖1為以下實施例中采用的電爆炸系統的結構示意圖；
[0023] 圖2為以下實施例中采用的電爆炸罐的結構示意圖；
[0024]圖3為實施例1中制備得到的石墨烯材料的拉曼光譜圖；
[0025] 圖4為實施例1中制備得到的石墨烯材料的掃描電鏡照片；
[0026] 圖5為實施例1中制備得到的石墨烯材料的透射電鏡照片；
[0027] 圖6為實施例1中制備得到的石墨烯材料的高分辨透射電鏡照片；
[0028] 其中，1-進氣閥、2-排氣閥、3-罐蓋、4-電爆炸罐本體、5-固定銷、6-絕緣耐高溫 尼龍塊、7-電極、8-固定接頭、9-電極夾頭、10-充電電源、11-高壓電容組、12-電爆炸罐。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖和具體實施例來詳述本發明，但不限于此。
[0030] 以下實施例中提到的主要儀器與設備信息見表2。
[0031] 以下實施例中選用的石墨棒是由深圳協力石墨公司生產，其純度彡99.9%。
[0032] 表 1
[0033]
[0034] 以下實施例中采用的電爆炸系統的結構示意圖如圖1所示，其主要包括充電電 源、高壓電容組和電爆炸罐；所述充電電源、高壓電容組和電爆炸罐通過線纜依次連接；其 中，所述高壓電容組的電容值為78. 8yF，電壓在10~30kV內連續可調；所述電爆炸罐包 括進氣閥1、排氣閥2、罐蓋3、電爆炸罐本體4、絕緣耐高溫尼龍塊6、固定銷5、電極棒7、固 定接頭8、電極夾頭9,以及外圍設備真空泵。其中，所述電爆炸罐本體4上部設有可拆卸的 罐蓋3,兩者之間設有密封圈；在罐蓋3上設有進氣閥1和排氣閥2 ;兩根電極棒7分別通過 絕緣耐高溫尼龍塊6和固定銷5相對安裝在電爆炸罐本體4上，所述電極棒7穿過電爆炸 罐本體4, 一端位于電爆炸罐本體4內部，另一端位于電爆炸罐本體4外部；通過固定接頭8 將電極夾頭安9裝在電極棒7位于電爆炸罐本體4內部的一端；真空泵通過排氣閥2與所 述電爆炸罐連接。
[0035] 所述電爆炸罐本體為不銹鋼材質，壁厚20mm，內徑? 120mm，深150mm。
[0036] 實施例I
[0037] -種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法，所述方法具體步驟如下：
[0038] (1)組裝和調試電爆炸系統，使電爆炸罐上的兩個電極的間距為50mm±0. 5mm; 選取純度為99. 9%，直徑為?3. 5mm的石墨棒進行截取，并磨平端面，獲得尺寸為 3. 5mmX50mm±0. 5mm的石墨棒；通過電極夾頭將所述石墨棒固定于兩電極之間；
[0039] (2)用無水乙醇清潔電爆炸罐，并用熱風機吹干；向電爆炸罐中倒入蒸餾水，使之 沒過電爆炸罐的電極2cm，通過罐蓋將電爆炸罐密封；
[0040] (3)向電爆炸系統中的高壓電容組充電，使高壓電容組的電壓達25kV，啟動電爆 炸系統，進行放電；
[0041] (4)待高壓電容組的電壓為OkV時，打開電爆炸罐，將富含石墨烯材料的蒸餾水懸 濁液倒入事先準備的潔凈的試劑瓶中，備用；
[0042] (5)用超聲波清洗器對裝有石墨烯材料懸濁液的試劑瓶于3