[發明專利]一種利用層狀模板碳化制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201310619894.8
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN104671234B
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 楊桂生;汪麗娟
• 申請（專利權）人: 合肥杰事杰新材料股份有限公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 金凱

本發明公開了一種利用層狀磷酸鹽模板碳化碳水化物制備石墨烯的方法，首先合成一種層狀化合物磷酸鹽作為層狀模板，再將天然分子碳水化合物作為碳源，通過靜電作用吸附到層間，先低溫初步碳化，然后在高溫下碳化，得到磷酸鹽層間石墨烯均勻生長的復合物，最后通過溶解、離心分離，干燥，即可得到高質量的石墨烯。本發明利用層狀磷酸鹽作為模板，在高溫煅燒過程中，利用層狀磷酸鹽中的晶格催化元素作為活性基點，將碳源碳化成高質量石墨烯，其碳源來源豐富，制備工藝簡單、溫和、成本較低，可大規模工業化生產。

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，尤其涉及一種利用層狀模板碳化制備石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是由單層碳原子采用SP²雜化堆積而成的二維蜂巢狀晶體點陣的碳質材料，其特殊結構使石墨烯表現出優異的力學性能、奇特的電學性質和良好的熱學性質，例如石墨烯楊氏模量可達 11000GPa，斷裂強度達 125GPa，熱導率達5000W/m?K，理論比表面積高達2630m²/g，而且具有完美的量子隧道效應、半整數的量子霍爾效應和超高的電導率等性質，在航空航天、新材料、電力、電子等領域具有良好的應用前景。

石墨烯的制備方法包括兩大類，即“top-dwon”和“bottom-up”法。前者通過克服石墨層間的強的π-π相互作用自上而下來獲得石墨烯（包括hummer氧化-還原法、機械或電化學剝離、球磨、超臨界撐開等），該法既費時又費力，并且產量很低。后者一般通過高溫高壓自下而上將原子組裝成二維片狀石墨烯（包括化學氣相沉積法、電弧放電法、聚合物裂解法等）。其中最常用的是化學氣相沉積法，可以制備出高質量、大面積的石墨烯，但是其制備石墨烯所需理想的基片材料的制備過程復雜，且所需設備價格昂貴。

最近幾年發展起來的層狀模板法為石墨烯制備提供了新的途徑。利用層狀化合物吸附碳源后在高溫下碳化可以獲得高質量的石墨烯，并且克服上述石墨烯制備方法中控制石墨烯層厚度的困難。層狀化合物是指具有層狀結構、層間離子具有可交換性的一類化合物，利用層狀化合物主體在強極性分子作用下所具有的可插層性和層間離子的可交換性，將一些功能性客體物質引入層間空隙并將層板距離撐開從而形成層柱化合物。

中國專利申請號201080043559.2和201210410900.4報道的一種二維納米石墨烯的制備方法，都利用水滑石作為層狀模板，分別將丙烯晴和丙烯酸加到層間，然后在引發劑作用下進行聚合，生成的聚合物碳源煅燒、碳化后獲得石墨烯。上述方法所用的碳源都需要經過引發聚合后獲得，制備過程比較復雜。中國專利申請號201210472499.7報道了一種具有高比電容的石墨烯及其制備方法，采用MCM-22分了篩作為模板和鎳的催化作用，將其浸漬在碳源、鎳鹽和濃硫酸的混合液中，然后通過低溫預碳化以及高溫煅燒，得到高質量的石墨烯。該方法的制備過程中采用濃硫酸作為脫水劑，存在一定的危險性，并且外加鎳作為催化劑，需要嚴格控制催化劑的量和反應溫度（否則形成的是碳顆粒而非石墨烯），整個制備過程成本較高。截止目前，尚未見采用磷酸鹽作為層狀模板制備石墨烯的報道。

發明內容

為克服現有石墨烯生產工藝中存在的制備工藝復雜、成本較高，且石墨烯厚度難以控制的難題，本發明目的在于提供一種利用層狀模板碳化制備石墨烯的方法，其制備工藝簡單、成本較低，重現性好，可用于大規模的工業化生產。

本發明報道的一種利用層狀模板碳化制備石墨烯的方法，具體包括如下步驟：

（1）將可溶性金屬鹽與可溶性磷酸鹽分別溶解后，混合攪拌形成凝膠液，將該凝膠轉移至反應釜中，在60-200℃反應4-150h，用蒸餾水洗滌至中性，分離、干燥后得到層狀磷酸鹽；

（2）將碳水化合物的水溶液，加入到經超聲波處理或機械攪拌得到的層狀磷酸鹽懸浮液，在50-100℃下攪拌6-48h，使碳水化合物充分進入層狀磷酸鹽的層間，最后經離心洗滌、干燥、研磨，得到前驅體粉末；