[發明專利]一種制備石墨烯的新方法

有效

• 申請號: 201610144930.3
• 申請日: 2016-03-14
• 公開（公告）號: CN105540579B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 高峰;胡宇;侯偉驁;王蘆燕;崔云濤;李振鐸
• 申請（專利權）人: 北京礦冶研究總院;北礦新材科技有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 北京藍智輝煌知識產權代理事務所(普通合伙)11345
• 代理人: 陳紅,杜秀科

技術領域

本發明屬于材料技術領域，涉及一種制備石墨烯的新方法，尤其涉及一種制備大面積石墨烯的新方法。

背景技術

目前以石墨為原料制備石墨烯的方法主要有微機械剝離法，超高真空石墨烯外延生長法，氧化-還原法，化學氣相沉積法(CVD)、溶劑剝離法、電解法、溶劑熱法、爆炸法等。

中國專利(申請號：201010548936.X)簡要說明了各種石墨烯制備方法的劣勢，提出了先熱剝離再超聲剝離膨脹石墨，利用微波加熱制備石墨烯的方法。

中國專利(申請號：201210341989.3)總結了多種制備石墨方法的專利，提出了一種大規模制備高質量石墨烯的方法，具體步驟：將剝離劑與水混合，制備濃度為0.2wt％-50wt％的剝離劑溶液；按膨脹石墨與剝離劑溶液質量比為0.1-10：100，將膨脹石墨分散于剝離劑溶液中攪拌浸漬，攪拌并浸漬時間是1-10小時，然后通過超聲5-300分鐘、經過濾，洗滌，干燥制得石墨烯。

但是，這些方法目前只能制備較小尺寸的石墨烯，不適用于大面積石墨烯制備。

發明內容

本發明的目的是提供一種制備石墨烯的新方法，尤其是一種制備大面積石墨烯的新方法。本發明的目的通過以下技術方案實現。

一種制備石墨烯的新方法，包括以下步驟：

(1)制備可膨脹石墨：以天然鱗片石墨為原料，選取適當的插層劑和氧化劑對其進行插層，干燥后獲得可膨脹石墨；

(2)可膨脹石墨團聚造粒：選取適當的粘結劑，將可膨脹石墨進行團聚造粒，篩分獲得粒徑適宜的可膨脹石墨；

(3)等離子噴涂獲得石墨烯：將團聚造粒后的可膨脹石墨進行等離子噴涂，在旋轉的基材表面獲得石墨烯。

進一步地，步驟(1)中以體積比3:1的濃硝酸、濃硫酸混合溶液為插層劑，以氯酸鉀為氧化劑，每克石墨添加3-5ml插層劑和10-15wt％氧化劑，常溫水浴1-2小時，對天然鱗片石墨進行插層，干燥后獲得可膨脹石墨。

進一步地，步驟(2)中以清漆為粘結劑，每克石墨加0.1-1ml粘結劑，對可膨脹石墨進行團聚造粒，篩分獲得粒度在45-109μm的可膨脹石墨。

進一步地，步驟(3)中噴涂工藝參數為：主氣(氬氣)流量40-90L/min，次氣(氫氣)流量2.5-5L/min，載氣(氬氣)流量4.0-7.0L/min，電流320A-550A，功率25-38kw，噴涂距離80-150mm，基材轉速為140-200r/min。

等離子噴涂過程中可膨脹石墨片層內部在高溫下產生劇烈化學反應，羥基、羧基和環氧基等含氧官能團分解和揮發，產生CO、CO₂和H₂O等氣體，產生的沖擊力使石墨片層沿c軸急速膨脹，石墨片層被撐開，層間距拉大，部分片層之間會剝離開來。與此同時，可膨脹石墨在高速等離子焰流中被加速，從噴嘴中噴出沉積到快速旋轉的基材上，形成一層單層的石墨烯。高速旋轉的圓柱形基材能避免短時間內多個石墨烯的重疊。

本方法直接噴涂可膨脹石墨顆粒，熱源不是基材提供，而是靠溫度高達15000～20000K的大功率等離子焰流使可膨脹石墨顆粒快速膨脹，片層撐開打到旋轉的基材上形成單層或多層石墨烯。

本發明的優點在于利用高能等離子焰流較普通加熱方式更快的加熱可膨脹石墨，使含氧官能團極短時間內的迅速分解，產生更高的沖擊力，從而直接剝離石墨片層，免去了超聲波分離等步驟，從而更快捷的獲得大片層石墨烯。

附圖說明

圖1是等離子噴涂過程的示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖通過實施例進一步闡明本發明的技術方案。以下所述實施例僅表達了本發明的較優實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此理解為對本發明保護范圍的限制。本領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出的改進和變形，都屬于本發明的保護范圍，本發明的保護范圍以權利要求書為準。

實施例1

以100g的細微(-13μm)天然鱗片石墨為原料，添加400ml體積比3:1的濃硝酸、濃硫酸混合溶液，添加12g氯酸鉀，20℃水浴1小時，對膨脹石墨進行插層，干燥后獲得可膨脹石墨；添加15ml清漆為粘結劑，對可膨脹石墨進行團聚造粒，篩分獲得球形-109μm+45μm可膨脹石墨；對可膨脹石墨進行等離子噴涂，選取如下噴涂參數：以氬氣為主氣，流量70升/分，氫氣為次氣，流量3升/分，氬氣為載氣，流量5升/分，電流450A，功率30kw，噴涂距離100mm，基材轉速160轉/分。即可在基材上獲得大片層石墨烯。

實施例2