[發(fā)明專利]一種以碳化鈣為原料制備石墨烯的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510947564.0
• 申請(qǐng)日: 2015-12-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105439131B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳慶;曾軍堂;葉任海;陳兵;廖大應(yīng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號(hào): C01B32/184
• 分類號(hào): C01B32/184
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種以碳化鈣為原料制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)

自從英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的AK Geim、KS Novoselov等研究人員于2004年利用膠帶剝離定向石墨發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，這種具有各種優(yōu)異特性的材料，在電子、傳感、能源、復(fù)合材料、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域展示出了廣闊的應(yīng)用前景。目前已有中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、歐盟、日本等80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)投入石墨烯材料研發(fā)。目前制備石墨烯的方法以氧化還原法為主，該方法需加入大量的氧化劑、還原劑易破壞石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)，降低石墨烯的光學(xué)性能。因此需提供一種低成本、工藝簡(jiǎn)單的制備方法。

累托石是一種具有特殊結(jié)構(gòu)、較為罕見(jiàn)的層狀硅酸鹽粘土礦物。1891年由E.W.Rector首次發(fā)現(xiàn)并命名。1981年國(guó)際礦物學(xué)會(huì)新礦物和礦物命名委員會(huì)最終將其定義為“累托石是二八面體云母和二八面體蒙皂石組成的1:1規(guī)則間層礦物”。累托石的耐火度高達(dá)1650℃，累托石結(jié)構(gòu)中蒙脫石層間的水化陽(yáng)離子，可以被大量其它無(wú)機(jī)、有機(jī)陽(yáng)離子交換，如鈉、鋁、硅及季胺鹽等單一或復(fù)合離子，能吸附各種無(wú)機(jī)離子、有機(jī)分子和氣體分子，并且這種吸附和交換是可逆的。

中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01110282370.5公開(kāi)了一種制備高質(zhì)量石墨烯的方法，具體為一種以鹵素或金屬鹵化物為插層劑的石墨插層化合物為原料，使用草酸或過(guò)氧化氫溶液進(jìn)行膨脹，然后在溶劑中超聲剝離制備高質(zhì)量石墨烯的方法。即將石墨進(jìn)行插層后，將石墨插層化合物粉體加入到草酸或過(guò)氧化氫溶液中，膨脹處理得到高度膨脹的蠕蟲(chóng)狀石墨烯聚集體。隨后將所得蠕蟲(chóng)狀石墨烯聚集體在醇、酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑水溶液中超聲波震蕩處理實(shí)現(xiàn)剝離，得到石墨烯分散液。干燥去除溶劑后即可得到高質(zhì)量的石墨烯粉體。該發(fā)明制備工藝復(fù)雜，成本較高。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01110372309.X報(bào)道了一種氧化還原制備石墨烯的方法具體為利用改性的 Hummer法制備氧化石墨，采用振蕩器柔和震蕩剝離單層的氧化石墨烯。在還原制備石墨烯步驟中，比較目前主要的幾種還原劑，優(yōu)化還原工藝和條件，進(jìn)而得到具有優(yōu)異性能的石墨烯。本發(fā)明工藝條件復(fù)雜，并使用大量助劑，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有石墨烯生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本較高，本發(fā)明目的在于提供一種以碳化鈣為原料制備石墨烯的方法，其制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

本發(fā)明的一種以碳化鈣為原料制備石墨烯的方法，具體包括以下步驟：

(1)將碳化鈣與表面活性劑按質(zhì)量比50：（3~6）加入到密閉攪拌器中，溫度控制在60~100℃，攪拌速度控制在80~120rpm，反應(yīng)5~10min，得到碳源前驅(qū)物；

(2)將累托石先用乙醇洗滌，然后與催化劑加入到額定功率為500~600w的微波器中處理3~5min，得到累托石負(fù)載催化劑模板，其累托石、催化劑質(zhì)量比為8：（0.1~0.3）；

(3)將步驟（1）得到的碳源前驅(qū)物與步驟(2)所得到的累托石負(fù)載催化劑模板按質(zhì)量比為1：(3~4)加入到密閉分散混合器中，溫度控制在60~80℃，以800~1000rpm速度分散混合，同時(shí)開(kāi)啟真空負(fù)壓至5~10Mpa，分散10~20min，使碳源前驅(qū)物在真空壓力與吸附作用下在累托石層間插入并駐留，最終得到累托石層間碳源前驅(qū)物；

(4)在密閉干燥反應(yīng)器中加入步驟(3)得到的累托石層間碳源前驅(qū)物，再加入混合酸，在氬氣80~100ml/min的保護(hù)下，同時(shí)使反應(yīng)器升溫，溫度控制在800~1000℃，反應(yīng)3~8h，自然冷卻至20℃，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%~50%硝酸去除累托石，得到石墨烯初級(jí)產(chǎn)物；

(5)將步驟(4)得到的石墨烯初級(jí)產(chǎn)物，用堿液洗滌至中性，在干燥器中干燥得到層厚≤2nm的大尺寸二維面積石墨烯。

上述步驟(1)中所述的碳化鈣化學(xué)式為CaC₂，俗稱為電氣石，屬四方晶系，純度≥99%，細(xì)度為500~5000目的碳化鈣粉末；所述的表面活性劑為失水山梨醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚中的一種。

上述步驟(2)中所述的催化劑為異丙醇鈦、硝酸錳、草酸亞鐵中的一種。

上述步驟(4)中所述的混合酸為磷酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸、酒石酸中任意兩種，并按質(zhì)量比1：1混合，其檸檬酸含有結(jié)晶水，分子式為C₆H₈O₇·2H₂O，混合酸的用量按質(zhì)量比混合酸：碳化鈣=（0.1~0.3）：2。