[發(fā)明專利]一種鱗片石墨機(jī)械摩擦可控制備石墨烯的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410650374.8
• 申請(qǐng)日: 2014-11-14
• 公開（公告）號(hào): CN104386681A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐玉福;彭玉斌;周琪;胡獻(xiàn)國;宋祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯的制備方法，具體的說是一種鱗片石墨機(jī)械摩擦可控制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯是由sp²雜化碳原子構(gòu)成的一種平面結(jié)構(gòu)材料，過去曾被認(rèn)為是無法獨(dú)立存在的，直至2004年，英國Geim等通過微機(jī)械剝離方法從石墨中成功分離出石墨烯，證實(shí)了石墨烯可以單獨(dú)存在。石墨烯具有許多優(yōu)異的性能，包括超高的熱導(dǎo)率、巨大的比表面積、極高的強(qiáng)度和彈性模量以及超低的電阻率等，它在納米器件、耐磨材料、傳感器和新一代電子元器件等方面均有巨大的應(yīng)用前景，然而，石墨烯的可控制備問題一直沒有得到很好的解決。

目前石墨烯的制備方法主要有微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法等。微機(jī)械剝離法需要將石墨加熱，然后用粘結(jié)劑將石墨粘在玻璃板上，接著再將玻璃板放到丙酮內(nèi)進(jìn)行震蕩，最后用單晶硅片將剝離下來的石墨烯片撈出，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、可以制備單層石墨烯，但缺點(diǎn)也很明顯，效率低、難以量產(chǎn)。化學(xué)氣相沉積法是將甲烷等烴類分子在高溫下分解后吸附沉積在金屬催化劑襯底材料表面，碳原子在基體表面重組形成石墨烯，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以制備大尺寸石墨烯，缺點(diǎn)是在使用時(shí)需要刻蝕去除基體材料，在去除操作過程中容易破壞形成的石墨烯結(jié)構(gòu)。氧化還原法是目前最常用的制備石墨烯的方法，該方法是先用強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑將石墨氧化，并在其層間插入含氧官能團(tuán)，增大石墨層間距，接著進(jìn)行超聲處理，將石墨氧化物剝離后得到石墨烯氧化物，再通過還原劑還原去除含氧基團(tuán)，得到石墨烯，該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作過程簡(jiǎn)便易控，但由于產(chǎn)物中含有較多的少層石墨烯，而單層石墨烯含量相對(duì)較少，此外，使用的這些還原劑大多屬于有毒或?qū)Νh(huán)境有害的成分，故而限制了其大規(guī)模制備。

由此可見，現(xiàn)有的石墨烯制備方法既有一定的優(yōu)勢(shì)，也有一些明顯的不足，迫切需要發(fā)展石墨烯制備新方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鱗片石墨機(jī)械摩擦可控制備石墨烯的方法。所要解決的技術(shù)難題是：操作簡(jiǎn)便可控，易于宏量制備，制備過程環(huán)保，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控，單層石墨烯的得率高。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

將鱗片石墨加入C4-C22的烴類溶劑中，超聲分散30-60min，形成石墨分散油；控制端面機(jī)械摩擦前狀態(tài)，然后將石墨分散油加入到摩擦裝置的油盒中，啟動(dòng)加載至摩擦副載荷為150N-300N，速度為0.1-0.8m/s，油溫40-60℃條件下摩擦1-2h；最后將摩擦后的油樣取出，在0.01-0.03MPa，70-90℃條件下減壓蒸餾回收溶劑即得石墨烯。

如上所述的鱗片石墨，其特征在于，粒徑為160-300μm，碳含量為99.90％以上，添加量占溶劑質(zhì)量的0.1-5％；

如上所述的控制端面機(jī)械摩擦前狀態(tài)，其特征在于，采用摩擦副為環(huán)-塊面接觸形式，摩擦接觸面積為400-800mm²；環(huán)狀摩擦副摩擦面平均分布6個(gè)凹槽，凹槽開口寬度為5mm，深度為10mm；塊狀摩擦副直徑比環(huán)狀摩擦副外直徑大10-20mm；環(huán)狀與塊狀摩擦副材料分別為球墨鑄鐵、灰鑄鐵、45號(hào)鋼、GCr15鋼中的任意兩種，摩擦面粗糙度Ra為0.10-0.60μm。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、制備操作簡(jiǎn)便可控，易于宏量制備。只要選擇好合適的鱗片石墨原料與摩擦副材料并調(diào)節(jié)好相應(yīng)的制備工藝條件，即可很方便的控制并得到所需的產(chǎn)品；可以根據(jù)比例對(duì)原料用量進(jìn)行放大，即可得到相應(yīng)放大量的石墨烯產(chǎn)品。

2、制備過程環(huán)保，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控，單層石墨烯的得率高。制備過程中不需要用到有毒或?qū)Νh(huán)境有害的成分，其中的烴類溶劑可以通過減壓蒸餾進(jìn)行有效回收；所制備的石墨烯表面能形成摩擦靜電斥力保證了制備的石墨烯不會(huì)重新團(tuán)聚，從而達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控的要求；通過摩擦副表面粗糙度、摩擦載荷、摩擦速度、油溫、摩擦?xí)r間等因素的聯(lián)合控制，可使得鱗片石墨原料直至轉(zhuǎn)化成單層石墨烯，故而單層石墨烯的得率高。

附圖說明

圖1為端面機(jī)械摩擦裝置示意圖，其中1為環(huán)狀摩擦副，2為塊狀摩擦副，3為石墨分散油，4為油盒，5為油溫加熱控制裝置。

圖2為環(huán)狀摩擦副示意圖，其中(a)為三維示意圖，(b)為剖面圖。

圖3為鱗片石墨原料與石墨烯產(chǎn)品顯微照片，其中(a)為鱗片石墨，(b)為例1石墨烯，(c)為例2石墨烯。

圖4為拉曼光譜圖，其中(a)為例1石墨烯，(b)為例2石墨烯。

具體實(shí)施例