[發(fā)明專利]利用高分子聚合物燃燒合成制備石墨烯的方法

有效

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• 申請日: 2015-05-18
• 公開（公告）號: CN104876216B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設計）人: 王黎東;費維棟;王洋
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權代理有限公司23211
• 代理人: 梁超

技術領域

本發(fā)明屬于碳材料技術領域，涉及一種由多種高分子聚合物通過自蔓延高溫合成法制備石墨烯材料的方法。

背景技術

石墨烯是指由sp²雜化的僅有一個原子層厚度且具有蜂窩狀晶體結構的單層石墨層片。在單層石墨烯中，每個碳原子與周圍的碳原子通過sp²雜化成鍵形成正六邊形。單層石墨烯的厚度僅為0.335nm，是目前世界上已知的最薄、最堅硬的納米材料。石墨烯具有優(yōu)異的力學、熱學、光學及電學性能。它是已知的材料中強度和硬度最高的材料，其抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa；室溫熱導率為5×10³W/m·K；單層石墨烯的透光率為97.7％，隨著層數(shù)的增加，可見光的透光率依次減少2.3％，其透光性可與ITO媲美；電子遷移率可達2×10⁵cm²/(V·s)，電導率可達10⁶S/m；同時，石墨烯還具有顯著的室溫霍爾效應、穩(wěn)定的狄拉克電子結構。因此，石墨烯在超級電容器、電子信息、納米電子器件、復合材料等領域有著廣泛的應用前景。目前石墨烯的制備方法有很多，主要的有：機械剝離法、氧化還原法、外延生長法及化學氣象沉積法(CVD)等，但是這些方法都有自己的優(yōu)缺點，例如：機械剝離法得到的石墨烯的工藝簡單、成本較低、質量好、厚度小，但產(chǎn)量過小，不適合工業(yè)化生產(chǎn)；氧化還原法得到的氧化石墨烯分散性好，可大規(guī)模制備，但表面含有含氧官能團等缺陷，使其優(yōu)良的性能如導電性下降甚至喪失；外延生長法得到的石墨烯質量好，可大面積制備，但難以控制形貌、成本高；CVD法制備的石墨烯質量高、層數(shù)可控、帶隙可調，但成本高、產(chǎn)物需要轉移。綜上所述，開發(fā)出一種操作簡單、制備的石墨烯質量較好、便于工業(yè)化大批量生產(chǎn)的制備工藝是很有價值的。

發(fā)明內容

為了開發(fā)操作工藝簡單、節(jié)省能源、原材料來源廣、效率高、便于工業(yè)化生產(chǎn)的石墨烯制備方法，本發(fā)明提供了一種利用高分子聚合物燃燒合成制備石墨烯的方法，采用多種高分子聚合物為碳源，利用燃燒合成方法制備石墨烯。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種利用高分子聚合物燃燒合成制備石墨烯的方法，該制備方法按以下步驟進行：

一、按照質量百分比稱取10～65％鎂粉和35～90％的高分子聚合物均勻混合；

二、將步驟一中的混合物放在保護氣氛中，用引燃劑或電阻絲加熱點燃，進行燃燒合成反應，得到含石墨烯的粗產(chǎn)物粉體；

三、將步驟二得到的粗產(chǎn)物粉體在質量分數(shù)為10～37％的HCl水溶液中酸洗，除去含鎂的雜質，得到純凈的石墨烯。

上述方法中，所述鎂粉的純度為92～99.999％，平均顆粒直徑為0.02～5mm。

上述方法中，所述高分子聚合物的純度為92～99.999％。

上述方法中，所述高分子聚合物為高分子聚合物粉末、高分子聚合物短切纖維或高分子聚合物薄膜，其中：粉末平均顆粒直徑為0.005～1mm；短切纖維長度小于10mm，直徑0.0001～0.01mm；薄膜厚度0.001～0.05mm。

上述方法中，所述的保護氣氛為Ar、He、CO₂、CO氣體中的一種或幾種。

上述方法中，所述高分子聚合物為聚氯乙烯、氯化聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚超氯乙烯、聚氯丁二烯、六氯苯、酚醛樹脂、硼改性酚醛樹脂、硼酸酯、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚環(huán)氧乙烷、聚甲醛、聚苯醚、聚乙烯醇縮甲醛、聚丙烯酸、聚氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、尼龍6、尼龍66、脲醛樹脂中的一種或幾種。當高分子聚合物為聚氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯時，所得到的產(chǎn)物為氟摻雜的石墨烯；當高分子聚合物為聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、尼龍6、尼龍66時，所得到的產(chǎn)物為氮摻雜的石墨烯；當高分子聚合物為硼改性酚醛樹脂、硼酸酯時，所得到的產(chǎn)物為硼摻雜的石墨烯；當高分子聚合物為聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、尼龍6、尼龍66中的一種或幾種，與硼改性酚醛樹脂、硼酸酯中的一種或兩種混合物時，所得到的產(chǎn)物為硼氮共摻雜的石墨烯。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)高分子聚合物價格便宜、品種多樣、便于儲存運輸；且其中一些樹脂在提供碳源的同時也會提供N、B、F等元素進行摻雜，一步得到摻雜的石墨烯。