[發(fā)明專利]一種以重芳烴為原料制備石墨烯的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110575175.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113401894A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陽(yáng)曉宇;盧毅;馮晨明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/19
• 分類號(hào): C01B32/19
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張秋燕

本發(fā)明提供一種以重芳烴為原料制備石墨烯的方法。本發(fā)明包括以下步驟：1）以重芳烴為碳源，硫酸為碳化劑，將碳源和碳化劑混合，加熱到150?220℃反應(yīng)4~24小時(shí)，冷卻至室溫后過(guò)濾，所得濾餅洗滌后干燥，獲得石墨烯前驅(qū)體；2）取步驟1）所得石墨烯前驅(qū)體石墨烯前驅(qū)體與填充劑混合，并研磨均勻，得到混合物粉末；所述混合物粉末在惰性氣體保護(hù)下，經(jīng)高溫剝離減薄處理后，得到石墨烯。本發(fā)明以帶苯環(huán)的化工初產(chǎn)品芳烴為碳源，采用溶劑熱法一步將液態(tài)的芳烴原料轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳材料，無(wú)需催化劑；所制備的石墨烯片層薄、結(jié)晶性好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以芳烴為原料制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種二維碳納米材料，由碳原子以sp²雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格結(jié)構(gòu)。自2004年英國(guó)學(xué)者通過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)械剝離法制備出單層石墨烯以來(lái)，由于其獨(dú)特的化學(xué)鍵合方式和具有π-π共軛的碳層，使其具有優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)、機(jī)械性能、光學(xué)和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)等，石墨烯可以作為一種變革性材料能夠廣泛用于能源，材料，電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域。

目前的制備石墨烯方法主要分為石墨法和非石墨法制備石墨烯。石墨法首先通過(guò)強(qiáng)氧化劑氧化天然石墨制備氧化石墨烯，再通過(guò)還原手段將氧化石墨烯還原得到還原石墨烯，但是其制備過(guò)程復(fù)雜，成本過(guò)高，并且在氧化過(guò)程中對(duì)石墨烯片層結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致其性能下降，以及在制備過(guò)程中使用腐蝕性強(qiáng)酸帶來(lái)的較為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，都阻礙其實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。非石墨法，典型的有CVD法，其制備石墨烯雖然形態(tài)較好，但其設(shè)備復(fù)雜，合成成本高昂。整體而言，石墨烯行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展較快，石墨烯制造成本居高不下嚴(yán)重制約了其下游應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)。另一方面，我國(guó)石化產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大，傳統(tǒng)工業(yè)特征也十分明顯，諸多地區(qū)油品較低，副產(chǎn)物如苯系，萘系，苊系較多且價(jià)格便宜。因此，如何高效利用石化副產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出高附加值石墨烯產(chǎn)品，拓寬石墨烯原材料選擇，降低石墨烯成本是加速石墨烯行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種重芳烴為原料制備石墨烯的方法，以帶苯環(huán)的化工初產(chǎn)品芳烴為碳源，采用溶劑熱法一步將液態(tài)的芳烴原料轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳材料，無(wú)需催化劑；所制備的石墨烯片層薄、結(jié)晶性好。

本發(fā)明為解決上述提出的問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：

一種以重芳烴為原料制備石墨烯的方法，包括如下步驟：

1)以重芳烴為碳源，硫酸為碳化劑，將碳源和碳化劑混合，加熱到150-220℃反應(yīng)4～24小時(shí)，冷卻至室溫后過(guò)濾，所得濾餅洗滌后干燥，獲得石墨烯前驅(qū)體(即類石墨烯固體)；

2)取步驟1)所得石墨烯前驅(qū)體與填充劑混合，并研磨均勻，所得混合物粉末在惰性氣體保護(hù)下，經(jīng)高溫剝離減薄處理后，得到石墨烯；其中，高溫剝離減薄處理的溫度在600-1200℃之間，時(shí)間為2-20小時(shí)。

按上述方案，所述重芳烴指碳原子數(shù)在九或十以上的含苯環(huán)的烴，可以選自單環(huán)芳烴、雙環(huán)芳烴等重芳烴中一種或多種的混合。進(jìn)一步地，所述單環(huán)芳烴選自苯類(如烷基苯)、四氫萘、茚滿、茚類(如茚、二氫茚等)等中的一種或幾種；所述雙環(huán)芳烴選自萘或者萘類(如甲基萘等)、苊類(如苊等)、苊烯類(如苊烯等)等中的一種或幾種。

按上述方案，所述硫酸的濃度為70-98％。

按上述方案，所述重芳烴和硫酸的體積比小于1:0.5。優(yōu)選地，所述重芳烴和硫酸體積比在1:0.5～1:2之間。

按上述方案，所述填充劑為熔點(diǎn)在600-1000℃的無(wú)機(jī)鹽類。進(jìn)一步地，所述填充劑選自MgCl₂、KCl、K₂CO₃等中的一種；或者所述填充劑為混合鹽，如NaCl/KCl、KCl/LiCl、NaF/CaF₂/MgCl₂、NaCl/KCl/ZnCl₂等。