[發明專利]一種利用無機層片通過高壓氣流剝離制備石墨烯材料的方法

有效

• 申請號: 201610189839.3
• 申請日: 2016-03-30
• 公開（公告）號: CN105752972B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 陳慶;葉任海;孫麗枝;廖大應
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于一種碳納米材料制備技術，更特別是地說，是指一種利用無機層片通過高壓氣流剝離制備石墨烯的方法。

背景技術

繼碳納米管之后，石墨烯（也稱為單層石墨或者石墨單層）成為備受矚目的低維炭材料。石墨烯由等單層六邊形碳原子元胞構成，原子呈蜂窩狀排列，具有良好的力學和電學性能。石墨烯中載流子具有彈道輸運特性，室溫下載流子的平均自由程和相干長度達到微米量級，遷移率大約是硅的100倍，有利于制造具有較高的熔點和高的熱導率，所以石墨烯器件有可能在高溫下工作，這些性質均使其成為未來納米電子器件和納米電路的理想材料，具有廣闊的應用前景。

據悉，電子在石墨烯中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導電性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，用于制造汽車、飛機和衛星。另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。之前美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。

長期以來，人們一直認為熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限的溫度下存在，所以盡管碳的零維和一維結構的研究開展較早，但是直到2004年二維碳結構---石墨烯才被Novose和Geim等發現。從此，因為其優異的特性迅速成為近年來材料研究熱點之一，已經在在新能源、新材料、電子等領域展露出了巨大的應用前景，但是其生產工藝復雜、產量低和價格過高一直是限制其產業化發展的瓶頸。

目前，制備石墨烯的主要方法有氧化還原法、化學氣相沉積法、微機剝離法等。微機剝離法雖然工藝簡單，但是存在產率過低和成本高的問題；化學氣相沉積法，雖然可以滿足規模化制備高質量石墨烯的要求，但工藝路線比較復雜且需要可燃氣體及單晶鎳等，存在價格昂貴成本高，且生成石墨烯的過程中有安全隱患等缺點；氧化還原法，一般需要在溶劑中反應生成，若需要干燥狀態下的材料，后續還需要增加干燥、防止團聚等工藝，雖然生產成本相對低廉，但是存在使用局限及制備過程中使用酸堿等易造成環境污染等的問題。

一種利用無機層片通過高壓氣流循環剝離制備石墨烯的過程中，由于沒有使用酸堿化學物質等介質，僅僅是將納米層片在熔融狀態下插入石墨中并通過高壓氣流促使材料間的相互碰撞、剪切，降低范德華力，使物料達到破碎剝離的目的。因此，具有原材料來源廣、工藝路線簡單、產品使用廣泛和安全穩定無污染等優點，產量高且能夠大規模化的生產。

發明內容

本發明的目在于，提供一種利用無機層片插入鱗片石墨中并通過高壓氣流剝離制備石墨烯的方法。將無機層片插入石墨材料中，然后通過高壓氣流剝離制備石墨烯，具有原料來源廣泛、成本較低，工藝簡單，能夠實現大規模的生產，且未使用酸堿等化學材料，制備石墨烯穩定安全。

本發明是將無機層片材料通過真空手套箱在高溫中插入石墨材料中，得到石墨層間化合物；然后將石墨層間化合物在高壓氣流粉碎機中，通過高壓氣流循環剪切剝離；最后將產物用去離子水洗滌至pH值為6.4-7.1，過濾干燥得到石墨烯。

本發明提供的制備方法的工藝流程圖如圖1所示，圖2為產品TEM圖，包括以下具體步驟：

（1）啟動球磨機，當溫度到20-50℃后，按照9~10:2~3的質量比例稱取無機層片材料與石墨材料，并投入到球磨機中，運行30—120分鐘；

（2）將第（1）步的混合材料放入充滿惰性氣體的真空手套箱中，然后放入到400℃-500℃高溫爐中，反應5~8小時；將產物冷卻并用去離子水洗滌過濾烘干即得到石墨層間化合物；

（3）啟動高壓氣流粉碎機，氣壓調節到1.0-1.7兆帕，溫度調節到30-80℃，將石墨層間化合物放入高壓氣流粉碎機中，通過高壓氣流循環剝離石墨層間化合物50-200分鐘；

（4）將步驟（3）所得物料用去離子水清洗至pH值為6.4-7.1后過濾烘干，即得到石墨烯。

在本發明提供的上述制備方法中，優選地，在步驟（1）中，所述石墨材料為膨脹石墨、鱗片石墨的一種或者兩者混合物。

在本發明提供的上述制備方法中，優選地，所述石墨材料的粒徑為20-100μm。