一种低成本石墨烯微片的制备方法

一、基本信息

1.专利号：ZL201710985025.5。

2.发明人：孙晓然，边思梦。

3.专利权人：华北理工大学。

4.授权时间：2020年3月27日。

5.技术领域：本发明制备得到的石墨烯具有较大尺寸，可应用于污水处理、土壤污染治理、大气污染治理、固体润滑、海水淡化、能源、涂料及聚合物复合材料等领域。

二、发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单的低成本石墨烯微片的制备方法，所采取的技术方案是：其以腐植酸为碳源，加入促进剂后在非氧化性气氛下加热进行还原芳烃化反应，得到石墨烯前驱体。所述石墨烯的前驱体经酸洗、干燥，然后真空加热进行剥离，即可得到所述的石墨烯微片。所述促进剂为Fe粉、Zn粉、葡萄糖、乙酸锌和乙酸钙中的一种或几种混合物。所述腐植酸与促进剂质量比为1∶0.2～1∶2；还原芳烃化反应的温度为300～500 ℃，时间为1～3 h；真空加热温度为700～900 ℃，时间为0.5～2 h。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明以腐植酸为碳源，仅需在非氧化性气氛中低温加热腐植酸和促进剂进行还原芳烃化反应，并结合高温真空剥离即可得到腐植酸基石墨烯；相比现有制备石墨烯技术而言，本发明原料来源广泛，价格低廉，工艺流程短，生产设备简单，生产周期短，对环境污染小，易于工业化规模化生产。

三、背景技术

石墨烯是以sp2杂化碳原子构成的二维单层纳米炭材料，因其特殊平面结构，在电学、热学、光学、力学及比表面积等方面都表现出优异特性，因而于众多领域，如电子、储能、生物医学、复合材料、半导体等都有良好的应用价值。石墨烯微片是指碳层数多于10层、厚度在5～100 nm范围内的超薄的石墨烯层状堆积体。石墨烯微片保持了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构，具有优异的机械强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性。相对于普通石墨，石墨烯微片的厚度处在纳米尺度范围内，但其径向宽度可以达到数个到数十个微米，具有超大形状比（直径/厚度比）。

近年来，国内外有关石墨烯的研究十分活跃，关于石墨烯制备新工艺不断发展，主要有机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、外延生长法以及有机合成法等。现有技术中，制备石墨烯的原料一般采用石墨或含碳化合物。公开号CN102701193A公开的“石墨烯或氧化石墨烯的制备方法”和CN103449417A公开的“石墨烯的制备方法”，采用石墨或氧化石墨为碳源制备石墨烯，很好地保留了石墨长程有序的碳sp2平面结构，具备优异的机械强度、导电导热性以及良好的耐腐蚀耐高温特性；但上述氧化还原法存在的问题是强氧化剂的使用破坏了石墨烯的共轭结构，对电化学性能影响很大，后续也很难实现对氧化石墨彻底还原，而且制备工艺复杂，且对环境产生较大污染。公开号CN 102502593A公开的“一种石墨烯、掺杂石墨烯或石墨烯复合物的制备方法”，采用气相化学沉积法制备石墨烯，以甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、液化石油气和一氧化碳之中的一种或者一种以上的混合物作为碳源气体物质，采用氨气（NH3）、乙硼烷（B2H6）、氢气和水蒸气之中的一种或者一种以上的混合物作为添加组分，工艺简单，纯度、产量和连续性较高，且相应转移技术的发展较成熟；但制备过程反应温度、气压及气氛比例等控制因素较多，且基底内部碳生长与连接存在缺陷，要想实现大规模生产，还需解决工艺与成本问题。公开号102373506A公开的“在SiC衬底上外延生长石墨烯的方法以及石墨烯和石墨烯器件”，用外延生长法可以制备尺寸较大，电学性能优异的石墨烯，但SiC本身成本高，石墨烯的厚度由加热温度决定，不易控制，制备需要超高真空度、高温、惰性气体氛围及单晶的SiC基底等，工艺条件较为苛刻，且后期不容易对石墨烯与基底物质进行分离，不适合大量生产。

因而，要想真正实现石墨烯应用的产业化，体现出石墨烯替代其他材料的优越品质，必须解决规模化生产技术问题、成本问题、针对性应用技术的开发问题，在原料选择和制备方法上寻求突破，向低成本、高产量、绿色节能、环境友好的方向发展。