一種低成本石墨烯微片的制備方法

一、基本信息

1.專利號：ZL201710985025.5。

2.發明人：孫曉然，邊思夢。

3.專利權人：華北理工大學。

4.授權時間：2020年3月27日。

5.技術領域：本發明制備得到的石墨烯具有較大尺寸，可應用于污水處理、土壤污染治理、大氣污染治理、固體潤滑、海水淡化、能源、涂料及聚合物復合材料等領域。

二、發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種工藝簡單的低成本石墨烯微片的制備方法，所采取的技術方案是：其以腐植酸為碳源，加入促進劑后在非氧化性氣氛下加熱進行還原芳烴化反應，得到石墨烯前驅體。所述石墨烯的前驅體經酸洗、干燥，然后真空加熱進行剝離，即可得到所述的石墨烯微片。所述促進劑為Fe粉、Zn粉、葡萄糖、乙酸鋅和乙酸鈣中的一種或幾種混合物。所述腐植酸與促進劑質量比為1∶0.2～1∶2；還原芳烴化反應的溫度為300～500 ℃，時間為1～3 h；真空加熱溫度為700～900 ℃，時間為0.5～2 h。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明以腐植酸為碳源，僅需在非氧化性氣氛中低溫加熱腐植酸和促進劑進行還原芳烴化反應，并結合高溫真空剝離即可得到腐植酸基石墨烯；相比現有制備石墨烯技術而言，本發明原料來源廣泛，價格低廉，工藝流程短，生產設備簡單，生產周期短，對環境污染小，易于工業化規模化生產。

三、背景技術

石墨烯是以sp2雜化碳原子構成的二維單層納米炭材料，因其特殊平面結構，在電學、熱學、光學、力學及比表面積等方面都表現出優異特性，因而于眾多領域，如電子、儲能、生物醫學、復合材料、半導體等都有良好的應用價值。石墨烯微片是指碳層數多于10層、厚度在5～100 nm范圍內的超薄的石墨烯層狀堆積體。石墨烯微片保持了石墨原有的平面型碳六元環共軛晶體結構，具有優異的機械強度、導電、導熱性能，以及良好的潤滑、耐高溫和抗腐蝕特性。相對于普通石墨，石墨烯微片的厚度處在納米尺度范圍內，但其徑向寬度可以達到數個到數十個微米，具有超大形狀比（直徑/厚度比）。

近年來，國內外有關石墨烯的研究十分活躍，關于石墨烯制備新工藝不斷發展，主要有機械剝離法、氧化還原法、化學氣相沉積法、外延生長法以及有機合成法等。現有技術中，制備石墨烯的原料一般采用石墨或含碳化合物。公開號CN102701193A公開的“石墨烯或氧化石墨烯的制備方法”和CN103449417A公開的“石墨烯的制備方法”，采用石墨或氧化石墨為碳源制備石墨烯，很好地保留了石墨長程有序的碳sp2平面結構，具備優異的機械強度、導電導熱性以及良好的耐腐蝕耐高溫特性；但上述氧化還原法存在的問題是強氧化劑的使用破壞了石墨烯的共軛結構，對電化學性能影響很大，后續也很難實現對氧化石墨徹底還原，而且制備工藝復雜，且對環境產生較大污染。公開號CN 102502593A公開的“一種石墨烯、摻雜石墨烯或石墨烯復合物的制備方法”，采用氣相化學沉積法制備石墨烯，以甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、液化石油氣和一氧化碳之中的一種或者一種以上的混合物作為碳源氣體物質，采用氨氣（NH3）、乙硼烷（B2H6）、氫氣和水蒸氣之中的一種或者一種以上的混合物作為添加組分，工藝簡單，純度、產量和連續性較高，且相應轉移技術的發展較成熟；但制備過程反應溫度、氣壓及氣氛比例等控制因素較多，且基底內部碳生長與連接存在缺陷，要想實現大規模生產，還需解決工藝與成本問題。公開號102373506A公開的“在SiC襯底上外延生長石墨烯的方法以及石墨烯和石墨烯器件”，用外延生長法可以制備尺寸較大，電學性能優異的石墨烯，但SiC本身成本高，石墨烯的厚度由加熱溫度決定，不易控制，制備需要超高真空度、高溫、惰性氣體氛圍及單晶的SiC基底等，工藝條件較為苛刻，且后期不容易對石墨烯與基底物質進行分離，不適合大量生產。

因而，要想真正實現石墨烯應用的產業化，體現出石墨烯替代其他材料的優越品質，必須解決規模化生產技術問題、成本問題、針對性應用技術的開發問題，在原料選擇和制備方法上尋求突破，向低成本、高產量、綠色節能、環境友好的方向發展。