[發明專利]一種可膨脹石墨制備裝置及其電化學插層方法

在審

• 申請號: 202010466451.X
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111453723A
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 楊育林;王衛;霍思月;宋來洲
• 申請（專利權）人: 鷹領航空高端裝備技術秦皇島有限公司
• 主分類號: C01B32/22
• 分類號: C01B32/22;C01B32/225
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙) 11562
• 代理人: 張雪

本發明公開了一種可膨脹石墨制備裝置及其電化學插層方法，屬于鱗片石墨電化學插層領域，該裝置包括包裹口袋、電極、直流穩壓穩流電源、快插接頭、橫梁、電解槽、循環冷卻裝置、熱電偶、第一伺服電機、支撐框架、第二伺服電機；該方法包括化學電解液的配制、天然鱗片石墨的灌袋、電極的裝配及電化學插層準備、電化學插層處理、插層化合物的處理；本發明可對天然鱗片石墨高效插層制得可膨脹石墨，所制可膨脹石墨在微波膨化和高溫膨脹過程中，無煙霧和刺激性氣體產生，其膨脹倍率可達200?300mg/L；該方法可從源頭上解決可膨脹石墨制備涉及的生產安全和環境污染問題，其能積極推進可膨脹石墨規模化制備和工程應用，市場應用前景廣闊。

技術領域

本發明涉及鱗片石墨電化學插層領域，特別是涉及一種可膨脹石墨制備裝置及其電化學插層方法。

背景技術

由于天然鱗片石墨的碳原子具有六角網狀的平面重疊結構，且層間以較弱的范德華力結合，在制備可膨脹石墨的過程中，在石墨的層間插入原子、離子、分子，以形成石墨層間化合物，即制備可膨脹石墨。可膨脹石墨在高溫或微波輻照作用下，石墨層間大部分化合物會在瞬間分解為小分子氣體逸散出去，同時石墨層在c軸方向上產生幾十乃至幾百倍的膨脹，從而制得膨脹石墨。膨脹石墨經過機械加工可制得柔性石墨，可廣泛應用于密封材料、吸附材料、介電材料、儲能材料和催化劑載體，此外膨脹石墨可通過化學反應制備石墨烯類功能材料，其市場應用前景大。膨脹石墨市場化潛質被看好，其經濟效益顯著。

當前可膨脹石墨的制備方法有傳統的化學法和電化學方法。傳統的化學方法是通過用高錳酸鉀、硫酸、硝酸、高氯酸等強氧化性酸進行氧化插層，使硫酸、硝酸、高氯酸等物質進入到石墨層間，繼而通過膨化處理得到膨脹石墨。但該技術存在安全生產隱患，且潛在環境危害大的缺陷，使其工程應用并不被看好。傳統的電化學方法是通過以硫酸、硝酸等強氧化性酸、以及醋酸和過氧化氫等化學物配制電解液，將天然鱗片石墨置于電解槽中，通過兩個電極通入脈沖電流，從而進行陽極氧化插層處理，但其存在插層效率低的技術缺陷，且潛在環境危害依然未被消除。專利CN106744923A提及了一種低硫含量的可膨脹石墨的制備方法，其將水溶性過氧化合物的水溶液和天然鱗片石墨攪拌混合，再加入濃硫酸繼續攪拌后，過濾、水洗、干燥后制備可膨脹石墨初始物，然后再將此初始物與過氧化氫水溶液攪拌混合，并加入酸性含磷化合物繼續浸漬，之后過濾、水洗、干燥即制得可膨脹石墨，其硫含量低于2％，膨脹體積可達240mg/L，但該制備工藝使用濃硫酸做插層劑，即使產品硫含量低，但生產過程中產生硫酸廢液，生產風險較大，且后續膨化過程中會產生硫酸酸霧，惡化大氣環境，其環境不友好缺陷顯著。公開號為CN109592678A的專利提及了一種無硫高倍率可膨脹石墨的制備方法，其制備工藝以高純鱗片石墨為原料，加入高錳酸鉀、硝酸鈉、乙酸，在一定溫度條件下發生化學反應，反應完全后，洗滌過濾，干燥，即制得無硫高倍率可膨脹石墨，該專利使用高錳酸鉀和硝酸鈉為氧化劑，存在爆炸風險，并且生產過程中產生的廢液難以處理，對生態環境存在較大潛在危害。公開號為CN108862271A的專利提及了一種優化配比插層劑的可膨脹石墨制備方法，其制備工藝以天然鱗片石墨為原料，高錳酸鉀為氧化劑、硫酸為插層劑、六水三氯化鐵為輔助插層劑制備可膨脹石墨，該專利使用硫酸為插層劑，生產過程中也會產生硫酸廢液，生產風險較大，且后續膨化過程中會產生硫酸酸霧，惡化大氣環境，其環境不友好缺陷顯著。公開號CN106629703A的專利提及了一種高膨脹性低硫石墨插層化合物的制備方法，其制備工藝包括將天然鱗片石墨水浴加熱，加熱插層劑浸泡天然鱗片石墨，再加入氧化劑反應得到反應產物，反應產物水洗、過濾、干燥得到酸化石墨，再加入氧化劑反應得到產物，產物水洗、過濾、干燥即可制得可膨脹石墨，該專利使用高錳酸鉀、重鉻酸鉀、濃硝酸、高氯酸其中一種作為氧化劑，在生產過程中產生的廢液難以處理，且對生態環境也存在較大的潛在危害。當前，可膨脹石墨的制備工藝已相對成熟，但現行工藝需使用大量的強酸和強氧化劑，這樣存在化學品運輸、存貯和使用的安全隱患，且不符合清潔生產、綠色制備和生態環境保護的總要求，繼而其工程應用普適性差。因此，從源頭上解決可膨脹石墨制備涉及的生產安全和環境污染等問題刻不容緩，其是推進可膨脹石墨規模化制備和工程應用的重要舉措，也是順承石墨烯產業鏈健康發展的迫切要求。