[發明專利]一種基于高溫電解反應的石墨烯制備方法

無效

• 申請號: 201310161310.7
• 申請日: 2013-05-06
• 公開（公告）號: CN103204500A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 趙建國;邢寶巖;張素芳;楊輝;屈文山;潘啟亮;耿煜;劉瑞
• 申請（專利權）人: 山西大同大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于高溫電解反應的石墨烯制備方法。

背景技術

石墨烯是由碳原子通過SP²雜化組成的六角蜂巢狀二維網格結構的一種新型炭材料，其厚度僅為0.335nm，是目前世界上最薄的納米材料。2004年由英國曼徹斯特大學的兩位科學家Andre?Geim和Konstantin?Novoselov發現，并因此獲得了2010年度的諾貝爾物理學獎。石墨烯是人類已知強度最高，導電性、導熱性最好的材料，擁有眾多令人神往的發展前景，然而要實現在諸多領域的廣泛應用，需要解決的關鍵問題是如何能夠規模化低成本的制備出高品質的石墨烯。在迄今為止的石墨烯的制備方法中，微機械剝離法無法可靠地制造出大尺度的石墨烯；外延取向生長法需要使用昂貴的稀有金屬，成本較高，且反應條件苛刻，對設備要求高；化學氣相沉積法雖然可以滿足制備高質量的石墨烯的要求，但是工藝復雜，而且產量低，因此也不適合大批量生產；氧化-還原法產量大，成本低，但在此方法中會產生大量污染環境的廢液，而且所得石墨烯缺陷較多。石灰石在地球上的儲量豐富，而且價格低廉。因此本發明提出了用高溫電解熔融態的石灰石制備石墨烯。

發明內容

本發明的目的為了克服現有技術在制備石墨烯的過程中工藝流程復雜，周期長，產生大量的廢液污染環境和成本高等缺點，本發明提供了一種基于高溫電解反應的石墨烯制備方法。確切地說是利用高溫下熔融態的碳酸鈣在電解反應中被還原生成石墨烯。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種基于高溫電解反應的石墨烯制備方法，其主要特點在于包括下述步驟：

1)將質量比為3∶4～6的碳酸鈣和碳酸鋰粉末混合均勻后裝入反應器，以兩種金屬片為電解反應的陰陽極，在反應器的兩極施加0.1～10V的電壓；

2)將反應器送入高溫爐內，在氬氣60～65ml/min的保護下4～6小時內升溫到650～800℃，在650～800℃下反應4～12小時，然后在氬氣的保護下冷卻到室溫，即得到黑色的塊狀固體；

3)將所得黑色塊狀固體與2～6mol/L的鹽酸溶液反應20～40分鐘，然后用蒸餾水離心洗滌至中性，即得到高純度的石墨烯。

所述的基于高溫電解反應的石墨烯制備方法中的金屬片為不銹鋼、鐵、銅或鎳。

碳酸鈣的分解溫度是825℃，發生電解反應需要碳酸鈣處于熔融態，混合碳酸鹽可以降低碳酸鈣的熔融溫度，所以在碳酸鈣中添加適量的碳酸鋰作為反應的助熔劑，碳酸鈣在低于800℃發生電解反應生成氧化鈣，氧氣和石墨烯。

本發明相比現有技術的優點在于：可操作性強，成本低，適于工業化生產，是一種綠色環保的低碳生產工藝。

附圖說明

圖1為在750℃下反應4小時，所得石墨烯的SEM圖。

圖2為在750℃下反應4小時，所得石墨烯的Raman譜圖。

具體實施方式

實施例1：一種基于高溫電解反應的石墨烯制備方法，包括下述步驟：

1)將質量比為3∶5的碳酸鈣和碳酸鋰粉末混合均勻后裝入反應器，以不銹鋼片為電解反應的陰極，以鎳片為電解反應的陽極，在反應器的兩極施加1.5V的電壓；

2)將反應器送入高溫爐內，在60ml/min氬氣的保護下6小時內升溫到750℃，在750℃下反應4小時，然后在氬氣的保護下冷卻到室溫，即得到黑色的塊狀固體；

3)將所得黑色塊狀固體與6mol/L的鹽酸溶液反應40分鐘，然后用蒸餾水離心洗滌至中性，即得到高純度的石墨烯。

所得石墨烯SEM如圖1所示，Raman光譜圖如圖2所示。

實施例2：一種基于高溫電解反應的石墨烯制備方法，包括下述步驟：

1)將質量比為3∶4的碳酸鈣和碳酸鋰粉末混合均勻后裝入反應器，以不銹鋼片為電解反應的陰極，以銅片為電解反應的陽極，在反應器的兩極施加3.5V的電壓；

2)將反應器送入高溫爐內，在62ml/min氬氣的保護下5小時內升溫到800℃，在800℃下反應12小時，然后在氬氣的保護下冷卻到室溫，即得到黑色的塊狀固體；

3)將所得黑色塊狀固體與5mol/L的鹽酸溶液反應30分鐘，然后用蒸餾水離心洗滌至中性，即得到高純度的石墨烯。

實施例3：一種基于高溫電解反應的石墨烯制備方法，包括下述步驟：

1)將質量比為3∶4的碳酸鈣和碳酸鋰粉末混合均勻后裝入反應器，以不銹鋼片為電解反應的陰極，以鐵片為電解反應的陽極，在反應器的兩極施加2V的電壓；