一種用酸插層石墨和過硫酸銨為原料制造石墨烯的方法
【專利摘要】本發明公開了一種用酸插層石墨和過硫酸銨為原料制造石墨烯的方法，具體工藝如下：將酸插層石墨粉、濃硫酸和過硫酸銨攪拌均勻制成混合溶液，在室溫下靜置反應1?50天后，將酸插層石墨粉濾出；將濾出的酸插層石墨粉置入超聲剝離器或高剪切剝離器中進行石墨烯的剝離，離心分離后得到濕態的石墨烯，最后將濕態的石墨烯冷凍干燥，得到粉狀石墨烯；濃硫酸和過硫酸銨的加入量分別為酸插層石墨粉質量的1?100倍和1?50倍。采用本發明所生產的石墨烯為單層石墨烯和層數≤5層的寡層石墨烯，這些石墨烯仍保留原料石墨的本征理化性質，分子結構完整，沒有氧化石墨烯成分，屬高品質石墨烯。
【專利說明】
一種用酸插層石墨和過硫酸銨為原料制造石墨烯的方法
技術領域
[0001]本發明具體涉及一種用酸插層石墨和過硫酸銨為原料制造石墨烯的方法，屬新型碳材料制造技術領域。
【背景技術】
[0002]石墨烯是單層碳原子組成的新型碳材料。其導電性能比銅高10倍，硬度超過鋼鐵100倍，有很強的抗拉強度和導熱性能，透光率達到82%以上。石墨烯在半導體電子集成電路，新型合金和復合材料領域將被廣泛應用。石墨烯已成為全世界研究的熱點。
[0003]傳統的石墨烯制造方法是將鱗片石墨粉碎，加入濃硫酸、高氯酸、濃硝酸、冰醋酸和高錳酸鉀、過氧化氫、硝酸鈉等進行插層、氧化，高溫熱處理后用超聲剝離法得氧化石墨烯，再用水合肼、硼氫化鉀、硼氫化鈉等還原劑將氧化石墨烯還原為石墨烯。通過先氧化石墨制備氧化石墨烯再用還原劑還原的方法生產的石墨烯有很大的結構缺陷，其功能指標與石墨烯的本征特性相差太遠。而且這些工藝還存在著流程復雜，污染嚴重，很難工業化批量生產的缺點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種用酸插層石墨和過硫酸銨為原料制造石墨烯的方法，采用該方法所制備的石墨烯仍保留原料石墨的本征理化性質，該方法具體采用如下工藝:
[0005]將酸插層石墨粉、濃硫酸和過硫酸銨攪拌均勻制成混合溶液，在室溫下靜置反應1-50天后，將酸插層石墨粉濾出；將濾出的酸插層石墨粉置入超聲剝離器或高剪切剝離器中進行石墨烯的剝離，離心分離后得到濕態的石墨烯，最后將濕態的石墨烯冷凍干燥，得到粉狀石墨烯;濃硫酸和過硫酸銨的加入量分別為酸插層石墨粉質量的1-100倍和1-50倍。優選地，濃硫酸和過硫酸銨的加入量分別為酸插層石墨粉質量的20-40倍和5-20倍。
[0006]本發明以酸插層石墨粉為原料，加入濃硫酸和過硫酸銨進行再次插層反應，然后用超聲剝離法或高剪切剝離法剝離石墨烯，再用超聲剝離法或高剪切剝離法剝離石墨烯，比傳統的方法大幅度提高了剝離效率。采用本發明所生產的石墨烯為單層石墨烯和層數<5層的寡層石墨烯，這些石墨烯仍保留原料石墨的本征理化性質，分子結構完整，沒有氧化石墨稀成分，屬尚品質石墨稀。
[0007]采用本發明制備石墨烯時，以酸插層石墨粉為原料，在加入濃硫酸和過硫酸銨進行再次插層反應后，石墨層的間距擴大了 5-100倍。具體的原理可能是，在硫酸的協同作用下，過硫酸銨插入到石墨層間，并與原料中的插層化合物反應，產生大量氣體，在氣體的頂舉下石墨層間距緩慢擴大，使層間的范德華力減弱或消除；另外過硫酸銨反應后的產物呈陽離子態，帶正電荷，而在含硫酸插層的鱗片石墨粉中，石墨層間的也帶有正電荷，相同的正電荷間產生靜電斥力，有利于石墨層的層間距進一步地擴大。
[0008]在制備石墨烯的過程中，所用硫酸經過濾后可進行回收。
[0009]具體地，所述酸插層石墨粉采用如下工藝制作，將25-200微米的鱗片石墨粉、濃硫酸、濃硝酸和過氧化氫混合，在30°C下攪拌0.5-1小時后，升溫到40-50°C，并恒溫12-24小時后，將鱗片石墨粉濾出并水洗到PH值為7后，干燥得到酸插層石墨粉。優選地，濃硫酸、濃硝酸和過氧化氫的質量分別為鱗片石墨粉質量的20-40倍、5-20倍和4-10倍。將鱗片石墨粉濾出并水洗到PH值為7后，優選在60°C下進行干燥，然后得到酸插層石墨粉。鱗片石墨粉中含碳量為彡99質量％。
[0010]采用上述工藝制作的酸插層石墨粉中，石墨層的間距已經被充分地擴大，更加有利于采用硫酸和過硫酸銨進行二次插層，以制備石墨烯。
【具體實施方式】
[0011]實施例1
[0012]取含碳量彡99質量％的粒徑在25-100微米之間的鱗片石墨粉lkg、濃硫酸30kg、濃硝酸5kg和過氧化氫4kg混合，保持攪拌，在30°C恒溫反應40分鐘，然后升溫到45°C，繼續恒溫反應12小時后進行過濾，再將過濾后得到的鱗片石墨粉水洗到pH值為7后，在60°C下烘干，得酸插層石墨粉。過濾后得到濾液進行回收。
[0013]取本實施例所制得的上述酸插層石墨粉0.5kg、濃硫酸1kg和過硫酸銨2.5kg混合后用電磁攪拌5分鐘，停止攪拌，在室溫下靜置反應1-7天后進行過濾，將過濾后的酸插層石墨粉進行水洗。水洗后，將酸插層石墨粉置入超聲剝離器中進行石墨烯的剝離，剝離完成后采用離心機分離出單層石墨烯和層數<5層的寡層石墨烯，最后進行冷凍干燥得到高性能的石墨稀。
[0014]實施例2
[0015]取含碳量多99質量％的粒徑在100-200微米之間的鱗片石墨粉lkg，加入濃硫酸20kg，濃硝酸1kg，過氧化氫6kg，用電磁攪拌進行攪拌，在30 0C下恒溫反應Ih后，升溫到40°C，繼續恒溫24h后進行過濾，再將過濾后得到的鱗片石墨粉進行水洗，使其pH值為7后，進行離心脫水，最后在60°C下干燥48h，得酸插層石墨粉。過濾后得到的濾液進行回收。
[0016]取本實施例所制得的上述酸插層石墨粉0.5kg、濃硫酸20kg和過硫酸銨5kg混合后用電磁攪拌5分鐘，停止攪拌，在室溫下靜置反應7-15天后進行過濾，將過濾后的酸插層石墨粉進行水洗，水洗后，將酸插層石墨粉置入超聲剝離器中進行石墨烯的剝離，剝離完成后采用離心機分離出單層石墨烯和層數<5層的寡層石墨烯，最后進行冷凍干燥得到高性能的石墨稀。
[0017]實施例3
[0018]取含碳量多99質量％的粒徑在80-120微米之間的鱗片石墨粉lkg，加入濃硫酸40kg，濃硝酸20kg，過氧化氫10kg，保持攪拌，在30°C恒溫反應30分鐘，然后升溫到50°C，繼續恒溫20h后進行過濾，再將過濾后得到的鱗片石墨粉進行水洗，使其pH值為7后，進行離心脫水，最后在60°C下干燥30h，得酸插層石墨粉。過濾后得到的濾液進行回收。
[0019]取本實施例所制得的上述酸插層石墨粉0.5kg、濃硫酸15kg和過硫酸銨1kg混合后用電磁攪拌5分鐘，停止攪拌，在室溫下靜置反應45-50天后進行過濾，將過濾后的酸插層石墨粉進行水洗，水洗后，將酸插層石墨粉置入超聲剝離器中進行石墨烯的剝離，剝離完成后采用離心機分離出單層石墨烯和層數<5層的寡層石墨烯，最后進行冷凍干燥得到高性能的石墨稀。
【主權項】
1.一種用酸插層石墨和過硫酸銨為原料制造石墨烯的方法，其特征在于，采用如下工-H-乙: 將酸插層石墨粉、濃硫酸和過硫酸銨攪拌均勻制成混合溶液，在室溫下靜置反應1-50天后，將酸插層石墨粉濾出；將濾出的酸插層石墨粉置入超聲剝離器或高剪切剝離器中進行石墨烯的剝離，離心分離后得到濕態的石墨烯，最后將濕態的石墨烯冷凍干燥，得到粉狀石墨稀； 濃硫酸和過硫酸銨的加入量分別為酸插層石墨粉質量的1-100倍和1-50倍。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，濃硫酸和過硫酸銨的加入量分別為酸插層石墨粉質量的20-40倍和5-20倍。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸插層石墨粉采用如下工藝制作， 將25-200微米的鱗片石墨粉、濃硫酸、濃硝酸和過氧化氫混合，在30 °C下攪拌0.5-1小時后，升溫到40-50°C，并恒溫12-24小時后，將鱗片石墨粉濾出并水洗到pH值為7后，干燥得到酸插層石墨粉。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，濃硫酸、濃硝酸和過氧化氫的質量分別為鱗片石墨粉質量的20-40倍、5-20倍和4-10倍。5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，將鱗片石墨粉濾出并水洗到pH值為7后，在60°C下進行干燥，然后得到酸插層石墨粉。6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，鱗片石墨粉中含碳量為多99質量％。
【文檔編號】C01B31/04GK106082180SQ201610392613
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610392613.3, CN 106082180 A, CN 106082180A, CN 201610392613, CN-A-106082180, CN106082180 A, CN106082180A, CN201610392613, CN201610392613.3
【發明人】仲偉德, 吳海
【申請人】南通偉德動力電池研究所（普通合伙）