一种利用非晶碳制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用非晶碳制备石墨烯的方法，包括将非晶碳预热；其后向预热后的非晶碳中加入催化剂；非晶碳在催化剂作用下高温裂解；裂解后的碳原子沉积于层状载体上，得到含载体的石墨烯；最后去除载体，即得到石墨烯的过程。本发明专利技术利用来源广泛的非晶碳制备石墨烯，成本低廉，原料获取方便，资料利用率高；同时本发明专利技术可直接通过螺杆挤出机实现，具有极大的产业化前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯的制备的

技术介绍
石墨烯是一种碳原子按正六边形紧密排布为蜂窝状的平面原子晶体结构，石墨烯特有的平面结构使其具备了许多三维晶体不具备的特性，如比表面积高达2.6×103m2/g，导热系数高达3×103W/（m.K），力学性能为1.06×103Gpa，杨氏模量为1.0TPa，其力学强度高达130Gpa，是钢的100多倍。石墨烯具有稳定的正六边形晶格结构使其具有优异的导电性，电子迁移率高达1.5×104cm2/（V.s），比半导体锑化铟的最大迁移率高2倍，比商用硅片的最大迁移率高10倍，此外石墨烯还具有很高的光透射率、室温量子隧道效应、反常量子霍尔效应等等。目前在石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法：通过机械作用将石墨剥离为单层碳原子结构；外延生长法，高温加热大面积单晶SiC，使石墨烯生长于其上，再于超高真空或常压下脱除Si留下C，继而得到与SiC差不多面积的石墨烯薄层，用作石墨烯衬底的材料分为非金属类衬底（如SiC、SiO2、GaAs等）和金属衬底（如Cu、Ni、Co、Ru、Au、Ag等），外延生长法制得的石墨烯仍无法达到均一厚度；金属催化法：将固态或气态的碳源在一定的温度、压强及催化剂的作用下在基底上直接生成石墨烯的方法，包括化学气相沉积法和金属催化法两种；淬火法：通过快速冷却中造成的内外温差产生应力，使石墨烯从石墨表面脱离，还包括直接燃烧法、电化学法、原位自生模板法等。碳是地球上含量最丰富的元素之一，纯碳物质根据结构可分为晶形和非晶形，晶形碳包括石墨、金刚石和富勒烯等，其中非晶碳来源广泛，容易分离，可以通过适当的物理、化学方法制备得到性能更优异的晶形碳。但在目前的石墨烯制备方法中，真正利用非晶碳制备石墨烯的研究并不多，究其原因，在利用非晶碳制备晶形碳的方法上，可以想见的两种思路中一种为将原非晶碳的结构完全破坏使碳原子能够重组生长为晶形碳，另一种为不完全打破非晶碳的结构，而是诱导其晶型发生改变继续生长为晶形碳，无论哪种方法，其制备都将是一个复杂、精细的过程，需要在高度可控的环境中进行，不利于石墨烯的产业化，因此在这方面的研究或报道均较少。
技术实现思路
本专利技术的技术方案如下：一种利用非晶碳制备石墨烯的方法，包括以下步骤：（1）非晶碳预热；（2）向预热后的非晶碳中加入催化剂；（3）非晶碳在催化剂作用下高温裂解；（4）裂解后的碳原子沉积于层状载体上，得到含载体的石墨烯；（5）去除载体，即得到石墨烯。在上述步骤中，非晶碳的预热的目的一方面在于为其后非晶碳的高温裂解积蓄能量，另一方面也可使催化剂加入后能够马上产生活性、快速进行反应，步骤（2）中加入的催化剂目的在于促进非晶碳的分解，特别是降低其分解温度，因此最理想的催化剂为能够在常温下促使非晶碳完全裂解为原子碳的催化剂，步骤（3）中层状载体的作用一方面在于提供裂解后的碳原子沉积的载体，另一方面在于保证石墨烯晶型的成形。上述制备方法的一种优选实施方式为：所述层状载体上还附有成形控制剂，所述成形控制剂为氟碳表面活性剂。如前所述层状载体的作用之二在于保证石墨烯晶型的成形，因此若载体上附带可以控制原子碳规整排列、生长的控制剂显然是更优的选择，本专利技术首选发现了氟碳表面活性剂具备这样的功能，其一方面可以在固体载体上均匀分布，另一方面可以促进单个或多个碳原子在其表面上均匀铺展。进一步的优选实施方式为：所述氟碳表面活性剂为选自N-甲基全氟辛基磺酰胺、N-乙基全氟辛基磺酰胺、N-丙基全氟辛基磺酰胺中的一种或多种。另一种进一步的优选实施方式为：所述层状载体与所述成形控制剂的复合方法为：将所述层状载体浸泡于所述成形控制剂的分散液中。此处所述的分散液是指将成形控制剂加入一般溶剂中得到的溶液或混合液，成形控制剂不必一定要完全溶解在这些溶剂中，只要其可以在这些溶剂里比较均匀的分布即可，为辅助分散效果，该进一步的优选实施方式进行中可以维持不间断的搅拌。本专利技术的另一种优选实施方式为：所述非晶碳为选自煤炭、煤矸石、活性炭中的一种或多种。当然非晶碳来源广泛，本优选实施方式并非要限定其仅为这几种物质，上述这几种物质只是在本专利技术制备的过程中发现的几种较优的选择。本专利技术的另一种优选实施方式为：所述催化剂为选自3A、4A、5A分子筛中的一种或多种。此处3A~5A分子筛孔径较小，可以通过单个或几个碳原子，而不能通过较大的分子，因此在催化的过程中同时实现了对形成非晶碳的碳原子的选择，此处并不限定具体的分子筛的结构或其组成成分，只要其能达到相同的目的即可，实施者在实际使用中还可以对其进行适当的改性以提高催化能力。本专利技术的另一种优选实施方式为：所述高温裂解的温度为500~1000℃。在此高温裂解的目的在于破坏非晶碳的原有结构，产生分离的单个或多个碳原子，以使得其在后续过程中可以进行重组。本专利技术的另一种优选实施方式为：所述层状载体为选自硼酸盐、云母粉、钙钛矿、二硫化钼中的一种或多种。上述制备方法及其各种优选实施方式均可以通过螺杆挤出机实现。优选的是：所述螺杆挤出机包括自前端到后端依次相连的用于非晶碳预热的预热段、用于含载体的石墨烯形成的密封加工段、加强石墨烯形态形成的冷却段、及用于含载体的石墨烯排出的出料口，其中密封加工段上还包括靠近预热段的用于催化剂加入的第一加料口、及位于密封段中后部的用于载体加入的第二加料口。在利用该螺杆挤出机制备石墨烯的过程中，上述各段均维持螺杆转动，在预热段的温度优选为100~400℃，非晶碳在此段被进行初步的机械破坏，其后进行密封加工段，催化剂从第一加料口中投入与成碎片状的非晶碳进行混合，密封段中最好通入惰性气体，以避免该过程中发生其它的副反应，在催化剂进入后，密封段中的温度最好维持在500~1000℃，以保证非晶碳的裂解效果，至其后段，载体从第二加料口进入，经催化裂解后的单个或多个碳原子在载体上沉积，形成石墨烯的基本结构，其后进入冷却段、此处螺杆的转动速率可以稍微减缓，以保证石墨烯形态的形成，该段温度优选为25℃以下，经过此段后含载体的石墨烯从出料口排出，在使用物理剥离或化学的载体溶解的方法后，即得到成品石墨烯。本专利技术的有益效果为：（1）利用来源广泛的非晶碳制备石墨烯，成本低廉，原料获取方便，资料利用率高；（2）使用固体碳作为石墨烯制备的碳源，生产可控性高；（3）本专利技术可直接通过螺杆挤出机实现，具有极大的产业化前景；（4）本专利技术制备得到的石墨烯形貌较规整，层数均匀，其质量具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用非晶碳制备石墨烯的方法，其特征在于：包括以下步骤：非晶碳预热；向预热后的非晶碳中加入催化剂；非晶碳在催化剂作用下高温裂解；裂解后的碳原子沉积于层状载体上，得到含载体的石墨烯；去除载体，即得到石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种利用非晶碳制备石墨烯的方法，其特征在于：包括以下步骤：
非晶碳预热；
向预热后的非晶碳中加入催化剂；
非晶碳在催化剂作用下高温裂解；
裂解后的碳原子沉积于层状载体上，得到含载体的石墨烯；
去除载体，即得到石墨烯。
2.根据权利要求1所述的利用非晶碳制备石墨烯的方法，其特征在于：所述层状载体上
还附有成形控制剂，所述成形控制剂为氟碳表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的利用非晶碳制备石墨烯的方法，其特征在于：所述氟碳表面活
性剂为选自N-甲基全氟辛基磺酰胺、N-乙基全氟辛基磺酰胺、N-丙基全氟辛基磺酰胺中的
一种或多种。
4.根据权利要求2所述的利用非晶碳制备石墨烯的方法，其特征在于：所述层状载体与
所述成形控制剂的复合方法为：将所述层状载体浸泡于所述成形控制剂的分散液中。
5.根据权利要求1所述的利用非晶碳制备石墨烯的方法，其特征在于：所述非晶碳为选
自煤炭、煤矸石、活性炭中的一种或多种。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，曾军堂，叶任海，陈兵，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51