一種超輕石墨烯粉體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種超輕石墨烯粉體的制備方法。本發(fā)明的主要特征在于：將采用公知技術得到的氧化石墨烯粉末懸空在密閉反應器中的還原性溶液液面上，加熱還原性溶液進行氧化石墨烯粉末的還原反應，然后再將所得到的還原粉末置于真空或者氣氛保護下進行熱處理，即得到無團聚、超輕石墨粉體。本發(fā)明提供的石墨烯粉體的制備方法具有效率高，易擴大生產、操作簡單、成本低、過程易控制等優(yōu)點。
【專利說明】一種超輕石墨烯粉體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明公開了一種超輕石墨烯粉體的制備方法，屬于納米材料制備領域，特別涉及納米石墨烯粉體材料制備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]石墨烯因具有獨特的二維結構，近年來得到極大的關注。石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，比如硬度大、熱傳導性高、電子遷移率高、理論比表面積大等。
[0003]目前石墨烯的制備主要有以下四種方法:化學氣相沉積法(Obraztsov A Netal., Chemical vapour deposition: making graphene on a large scale.NatureNanotechnology，2009，4:212)、外延生長法(Berger C et al.Electronic confinementand coherence in patterned epitaxial graphene.Science，2006，312:1191)、微機械剝離法(Novoselov KS et al.electric field effect in atomically thin carbonfilms.Science, 2004, 306:666)及氧化還原法(Park S et al.Chemical methods forthe production of graphenes.Nature Nanotechnology, 2009,4:217)。其中氧化還原法適于石墨烯的大規(guī)模生產。氧化還原法一般的步驟為，使用插層劑、強氧化劑對石墨進行插層、氧化，再用水合肼、二甲肼、硼氫化鈉等還原劑對其進行還原。制備氧化石墨烯的方法主要有Brodie法、Staudenmaire法、Hummers法。所制備出的氧化石墨烯具有較好的可分散性。但是后續(xù)的液相還原反應體系中，由于較強的范德華力，使得石墨烯自發(fā)團聚和堆砌(Park S et al.Hydrazine-reduction of graphite-and graphene oxide.Carbon, 2011，49:3019 )，而因使其不適合生產高質量石墨烯 ；另外，液相還原的效率低。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術之不足，提供一種石墨烯的效率高、低成本、制備的石墨烯粉體無團聚的超輕石墨烯粉體的制備方法、化生產，本發(fā)明方法適于規(guī)模化生產石墨烯粉體。
[0005]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:在密閉反應器底部放置還原性溶液，將氧化石墨烯粉末懸空在密閉反應器中的還原性溶液液面上，即氧化石墨烯粉末與還原性溶液不直接接觸；
[0007]步驟2:將密閉反應器升溫至還原性溶液蒸發(fā)溫度T以上？ - ? °C，保溫，使還原劑蒸發(fā)形成蒸汽并與氧化石墨烯粉末發(fā)生還原反應，還原反應結束，得到還原態(tài)石墨烯粉末；
[0008]步驟3:將步驟2所得還原態(tài)石墨烯粉末置于真空中或保護氣氛下，加熱至500-800 0C，保溫脫氧，得到超輕石墨烯粉體。
[0009]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法,步驟I所述氧化石墨烯粉末采用Brodie法、Staudenmaire法、Hummers法中的一種制備。
[0010]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，步驟I所述密閉反應器中的氣氛可以是空氣、氮氣、氫氣或IS氣中的一種或者多種氣體以任意比率混合而成。
[0011]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，步驟I中，所述還原性溶液中溶質選自肼、硼氫化鈉、維生素C中的至少一種，溶劑選自水和/或有機溶劑；所述有機溶劑選自甲醇、乙醇、丙酮、二甲基甲酰胺、聚偏二氟乙烯中的至少一種。
[0012]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，所述還原性溶液的質量百分濃度為40 ~80%ο
[0013]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，所述還原性溶液的體積與氧化石墨烯的質量按10~200ml/g的比例配置。
[0014]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，步驟2中，還原反應結束的標志是所得產物顏色全部轉變?yōu)楹谏?br> [0015]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，步驟3中，所述真空的真空度為KT5Pa~KT2Pa ;所述的保護氣氛指的是氮氣、氫氣或氬氣中的一種。
[0016]本發(fā)明一種超輕石墨烯粉體的制備方法，步驟3中，加熱保溫時間為0.5_5h。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果:
[0018](I)本發(fā)明將氧化石墨烯粉末懸空在密閉反應器中的還原性溶液液面上，然后通過控制密閉反應器的溫度，保證了還原劑以氣態(tài)的形式與氧化石墨烯粉末發(fā)生還原反應，制備還原態(tài)石墨烯產品 ，從而避開了傳統(tǒng)液相法容易出現(xiàn)石墨烯產品團聚的缺陷；
[0019](2)對還原態(tài)石墨烯產品進行熱處理，可以脫除其中多余的氧，提高石墨烯中的碳、氧比，高效、快速制備得到超輕石墨烯粉體；
[0020](3)本發(fā)明容易實現(xiàn)石墨烯的量產。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為對比例I所制備的石墨烯粉體的掃描電鏡圖。
[0022]圖2為實施例1所制備的石墨烯粉體照片圖。
[0023]圖3為實施例1所制備的石墨烯粉體的掃描電鏡圖。
[0024]從附圖3可以看出，所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為50微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為3-5納米。
【具體實施方式】
[0025]下面通過具體實施例描述，進一步闡述本發(fā)明的實質性特點，但本發(fā)明并不受此限制。
[0026]對比例1:將IOOmg氧化石墨烯粉體分散于500ml去離子水中，加入5ml氨水、Iml水合肼，將反應置于90°C水浴中反應3h后，將溶液冷卻至室溫，抽濾、洗滌、干燥后，得到液相法制備石墨烯粉體。
[0027]附圖1為所得石墨烯粉體的掃描電鏡圖片，可以看出，所得石墨烯之間有明顯的團聚、結塊現(xiàn)象。
[0028]實施例1:
[0029]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有氮氣的密閉反應器中的Iml濃度為80%的水合肼溶液液面上，確保粉體與肼溶液無接觸；再將密閉反應器送電升溫至100°C，并維持3h后斷電使反應器冷卻，然后取出粉體產物；將所得粉體置于真空電爐中，升至500°C保溫2h，真空度為10_5Pa，即得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0030]附圖2與附圖3分別為制備的石墨烯粉末的數(shù)碼照片及掃描電鏡圖片?？梢钥闯?，所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為50微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為3-5納米。
[0031]實施例2:
[0032]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有氬氣的密閉反應器中的還原性溶液液面上，確保粉體與還原性溶液無接觸，該還原性溶液由2ml濃度為40%水合肼與Iml無水乙醇混合而成；再將密閉反應器送電升溫至120°C，并維持2h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于氬氣氣氛保護的電爐中升至600°C保溫0.5h，即得到無團聚的超輕石墨稀粉體。
[0033]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為50微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為3-5納米。
[0034]實施例3:
[0035]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有空氣的密閉反應器中的還原性溶液的液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液為IOml濃度為40%的硼氫化鈉溶液；再將密閉反應器送電升溫至120°C， 并維持5h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，升至500°C保溫0.5h，真空度為10_3Pa，即得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0036]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為80微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為3-5納米。
[0037]實施例4:
[0038]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有空氣的密閉反應器中的還原性溶液的液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液為20ml濃度80%的維生素C溶液；再將密閉反應器送電升溫至100°C，并維持4h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，在氮氣氣氛保護下，升至800°C保溫lh，即得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0039]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為60微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為1-5納米。
[0040]實施例5:
[0041]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有空氣的密閉反應器中的還原性液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液由Iml濃度40%的水合肼溶液、Iml濃度80%的維生素C溶液與Iml濃度為40%的硼氫化鈉溶液混合而成；再將密閉反應器送電升溫至120°C，并維持3h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，升至700°C保溫0.5h，真空度為10_2Pa，即得 到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0042]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為100微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為3-5納米。
[0043]實施例6:
[0044]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有空氣的密閉反應器中的還原性液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液Iml濃度40%的水合肼溶液、Iml濃度40%的維生素C溶液與Iml甲醇溶液混合而成；再將密閉反應器送電升溫至100°C，并維持8h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，在氮氣氣氛保護下，升至700°C保溫1.5h，SP得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0045]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為80微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為3-6納米。
[0046]實施例7:
[0047]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有空氣的密閉反應器中的還原性液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液Iml濃度40%的水合肼溶液、Iml濃度40%的硼氫化鈉溶液與2ml丙酮溶液混合而成；再將密閉反應器送電升溫至100°C，并維持3h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，在氬氣氣氛保護下，升至800°C保溫0.5h，SP得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0048]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為70微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為 3-5納米。
[0049]實施例8:
[0050]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有空氣的密閉反應器中的還原性液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液Iml濃度40%的維生素C溶液、Iml濃度40%的硼氫化鈉溶液與8ml 二甲基甲酰胺混合而成；再將密閉反應器送電升溫至100°C，并維持5h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，在氬氣氣氛保護下，升至700°C保溫Ih,即得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0051]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為110微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為1-5納米。
[0052]實施例9:
[0053]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有氮氣的密閉反應器中的還原性液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液Iml濃度40%的水合肼溶液、Iml濃度40%的維生素C溶液與Iml聚偏二氟乙烯溶液混合而成；再將密閉反應器送電升溫至100°C，并維持5h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，在氮氣氣氛保護下，升至600°C保溫2h，即得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0054]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為80微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為1-5納米。
[0055]實施例10:
[0056]將IOOmg氧化石墨烯粉體懸空在充有氬氣的密閉反應器中的還原性液面上，確保粉體與溶液無接觸，該還原性溶液由2ml濃度40%的水合肼溶液、2ml濃度40%的維生素C溶液、2ml濃度40%的硼氫化鈉溶液、2ml聚偏二氟乙烯、2ml 二甲基甲酰胺、2ml丙酮溶液、2ml乙醇溶液混合而成；再將密閉反應器送電升溫至100°C，并維持5h，斷電，使反應器冷卻，然后取出產物，將所得粉體置于電爐中，在氬氣氣氛保護下，升至500°C保溫1.5h，即得到無團聚的超輕石墨烯粉體。
[0057]掃描電鏡與原子力顯微鏡測試結果表明:所制備出的石墨烯粉末蓬松、沒有團聚現(xiàn)象，石墨烯片透明、無明顯卷曲，片層的徑向尺寸約為100微米，原子力顯微鏡結果表明所得石墨烯的厚度為3-5 納米。
【權利要求】
1.一種超輕石墨烯粉體的制備方法，包括以下步驟: 步驟1:在密閉反應器底部放置還原性溶液，將氧化石墨烯粉末懸空在密閉反應器中的還原性溶液液面上，即氧化石墨烯粉末與還原性溶液不直接接觸； 步驟2:將密閉反應器升溫至還原性溶液蒸發(fā)溫度T以上，保溫，使還原劑蒸發(fā)形成蒸汽并與氧化石墨烯粉末發(fā)生還原反應，還原反應結束，得到還原態(tài)石墨烯粉末； 步驟3:將步驟2所得還原態(tài)石墨烯粉末置于真空中或保護氣氛下，加熱至500-800°C，保溫脫氧，得到超輕石墨烯粉體。
2.根據權利要求1所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:步驟I所述氧化石墨烯粉末采用Brodie法、Staudenmaire法、Hummers法中的一種制備。
3.根據權利要求1或2所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:步驟I中，所述還原性溶液中溶質選自肼、硼氫化鈉、維生素C中的至少一種，溶劑選自水和/或有機溶劑。
4.根據權利要求3所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:所述有機溶劑選自甲醇、乙醇、丙酮、二甲基甲酰胺、聚偏二氟乙烯中的至少一種。
5.根據權利要求4所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:所述還原性溶液的質量百分濃度為40~80%。
6.根據權利要求5所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:所述還原性溶液的體積與氧化石墨烯的質量按10~200ml/g的比例配置。
7.根據權利要 求6所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:步驟2中，還原反應結束的標志是所得產物顏色全部轉變?yōu)楹谏?br> 8.根據權利要求7所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:步驟3中，所述真空的真空度為KT5Pa~KT2Pa ;所述的保護氣氛指的是氮氣、氫氣或氬氣中的一種。
9.根據權利要求8所述的一種超輕石墨烯粉體的制備方法，其特征在于:步驟3中，加熱保溫時間為0.5-5h。
【文檔編號】C01B31/04GK103880000SQ201410081755
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權日:2014年3月7日
【發(fā)明者】楊娟, 周向陽, 唐晶晶, 王輝, 廖群超, 文康, 柏濤, 陳鋒, 龍波 申請人:中南大學