一种制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备石墨烯的方法，将石墨原料置于反应器中，控制反应器升温至10‑80℃，向其中泵入CO2至反应器中的压力达到8‑60MPa；开启与反应器连接的剪切机，调节转子的转速为3500‑9000rpm，利用转子与定子在高速相对运动时产生的剪切、空化和机械撞击作用耦合二氧化碳流体的插入和稳定作用，对石墨进行剥离1‑5h；将反应器中的CO2排空，收集剥离得到的石墨烯。与现有技术相比，本发明专利技术工艺流程简单，设备投资小，是一种环境友好型的绿色技术，可实现石墨烯的规模化生产。

Method for preparing graphene

The invention relates to a method for preparing graphene, graphite material in the reactor, the reactor temperature control to 10 to 80 DEG C, which is pumped into the CO2 to the pressure in the reactor reached 8 60MPa; open shearing machine connected with the reactor, adjusting the rotational speed of the rotor is 3500 9000rpm. In the high-speed relative motion with the rotor and the stator into shear, cavitation and mechanical impact coupling of carbon dioxide fluid and stable effect, stripping 1 5h on graphite; CO2 emptying in the reactor, the peeling graphene collection. Compared with the prior art, the invention has the advantages of simple technological process and small investment of equipment, and is an environment-friendly green technology, which can realize large-scale production of graphene.

【技术实现步骤摘要】
一种制备石墨烯的方法
本专利技术涉及一种二维纳米材料制备
，尤其是涉及一种二氧化碳流体耦合定子转子剪切机剥离石墨制备石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是目前世界上发现的最薄的二维原子晶体材料，它是以SP2杂化碳原子形成的类六元环单元，并无限扩展呈蜂巢晶格的平面薄膜，石墨烯具有优异的电学、热学、力学性能，有广泛的应用价值。高质量、规模化石墨烯的制备是实现石墨烯广泛应用的前提。目前，石墨烯的制备主要有机械剥离法、化学氧化剥离和还原法、化学气相沉积法等。其中化学氧化还原法是目前批量生产的方法，但是由于化学氧化还原法使用大量的强酸和强氧化剂，生产过程污染环境，同时生产工艺复杂，生产成本高，而且，氧化过程破坏了石墨烯的碳原子结构，很难被还原回复到原有结构，使石墨烯的质量尤其是电学性能受到极大影响。为了解决该问题，本申请人在专利技术的授权专利(ZL201210001582.6，ZL201210008133.4)中，专利技术了超临界CO2和超声辅助剥离石墨制备石墨烯的方法，获得了高质量大尺度的石墨烯，具有潜在的应用价值。但是，在专利(ZL201210001582.6)的方法中，需要进行多次的升压和降压处理；在专利(ZL201210008133.4)的方法中，使用的超声波发生器放大受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以低成本、高质量、规模化的二氧化碳流体耦合定子转子剪切机剥离石墨制备石墨烯的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种制备石墨烯的方法，采用以下步骤：(1)将石墨原料置于反应器中，控制反应器升温至10-80℃，向其中泵入CO2至反应器中的压力达到8-60MPa；(2)开启与反应器连接的剪切机，调节转子的转速为3500-9000rpm，利用转子与定子在高速相对运动时产生的剪切、空化和机械撞击作用耦合二氧化碳流体的插入和稳定作用，对石墨进行剥离1-5h；(3)将反应器中的CO2排空，收集剥离得到的石墨烯。石墨包括天然鳞片石墨、膨胀石墨或高定向石墨等，但是不限于上述几种石墨原料。优选地，反应器内的温度为20-60℃，压力为15-45MPa。转子的转速为4000-8000rpm，对石墨剥离处理2-4h，转速为4000-8000rpm时，体系反应器内可产生足够大的能量，包括转子与定子之间的剪切力对石墨的剥离，颗粒之间加速碰撞产生的剥离以及CO2流体介质中的空化产生的射流剥离作用都获得了提高，此外，当温度为20-60℃，压力为15-45MPa时，CO2的密度和粘度有利于CO2作为插层剂通过扩散渗透插入石墨层间从而削弱石墨层间的分子间力的作用，同时还对剥离的石墨烯具有良好的稳定作用。石墨烯收集在含有分散剂的水溶液或有机溶剂中。优选地，分散剂为聚乙烯醇，聚乙二醇辛基苯基醚或松香酸钠，有机溶剂为乙醇水溶液或n-甲基吡咯烷酮。优选地，步骤(1)中还加入与石墨烯复合的材料，石墨烯与待复合材料的重量比为1-20:100，更加优选地，与石墨烯复合的材料为聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯胺。优选地，步骤(2)对石墨进行剥离时，还可以加入辅助剂，该辅助剂与石墨的重量比为1-20:100。更加优选地，辅助剂为含有大π键结构的单体或聚合物，包括苯胺，聚苯胺或聚乙二醇辛基苯基醚。与现有技术相比，本专利技术利用转子与定子在高速相对运动时产生的剪切、空化和机械撞击作用耦合二氧化碳流体的插入和稳定作用，在二氧化碳流体的一定压力和温度以及转子的一定转速作用下，经过一定时间的剥离，从石墨制备石墨烯的方法。在剥离过程中，适当添加辅助剂有利于石墨的剥离和石墨烯的稳定。通过本方法制备的石墨烯保持原有SP2杂化碳原子结构，没有含氧基团，具有优异的导电率，5层以下的石墨烯达到90％，产率达到80％以上。本专利技术具有明显优势，所获得的石墨烯质量高，无缺陷，不含氧基团，具有优良的导电率；不使用有毒有害的有机溶剂以及强酸、强碱，不破坏环境，绿色环保，是典型的环境友好的可持续的绿色技术；工艺流程简单，易于工业化放大，进行规模化生产。附图说明图1为本专利技术的工艺流程图；图2为剥离的石墨烯高分辨透射电子显微镜图以及电子衍射图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1如图1所示，将5克膨胀石墨粉放到到高压反应器5中，控制反应器温度达到45℃，将二氧化碳储罐1中的二氧化碳通过高压泵2经阀门3打入高压反应器5内，直到压力达到15MPa，开启剪切机4，剪切速率调节到4000rpm，剪切时间为2小时；待剥离时间结束后，打开放气阀6泄压，收集样品；经检测，小于5层的石墨烯收率为45.6％。实施例2如图1所示，将5克膨胀石墨粉放到高压反应器5中，控制反应器温度达到60℃，将二氧化碳储罐1中的二氧化碳通过高压泵2经阀门3打入高压反应器5内，直到压力达到40MPa，开启剪切机4，剪切速率调节到6500rpm，剪切时间为3小时；待剥离时间结束后，打开放气阀6泄压，收集样品；经检测，小于5层的石墨烯收率为81.6％。代表性的石墨烯样品的透射电镜图如图2所示，可以看出，石墨烯层数为1层和3层，同时保留完整的SP2杂化的碳原子晶体结构；石墨烯(制成薄膜)的电导率达到1.6×106S/m。实施例3如图1所示，将30克膨胀石墨粉放到高压反应器5中，控制反应器温度达到60℃，将二氧化碳储罐1中的二氧化碳通过高压泵2经阀门3打入高压反应器5内，直到压力达到45MPa，开启剪切机4，剪切速率调节到8000rpm，剪切时间为4小时；待剥离时间结束后，打开放气阀6泄压，收集样品；经检测，小于5层的石墨烯收率为58.2％。实施例4如图1所示，将5克鳞片石墨粉放到高压反应器5中，控制反应器温度达到25℃，将二氧化碳储罐1中的二氧化碳通过高压泵2经阀门3打入高压反应器5内，直到压力达到15MPa，开启剪切机4，剪切速率调节到5000rpm，剪切时间为3小时；待剥离时间结束后，打开放气阀6泄压，收集样品；经检测，小于5层的石墨烯收率为35.3％。实施例5如图1所示，将5克鳞片石墨粉放到高压反应器5中，控制反应器温度达到60℃，将二氧化碳储罐1中的二氧化碳通过高压泵2经阀门3打入高压反应器5内，直到压力达到40MPa，开启剪切机4，剪切速率调节到6500rpm，剪切时间为3小时；待剥离时间结束后，打开放气阀6泄压，收集样品；经检测，小于5层的石墨烯收率为65.3％。实施例6一种制备石墨烯的方法，采用以下步骤：(1)将天然鳞片石墨原料以及聚乙烯醇置于反应器中，石墨烯与聚乙烯醇的重量比为1：100，控制反应器升温至10℃，向其中泵入CO2至反应器中的压力达到60MPa；(2)开启与反应器连接的剪切机，调节转子的转速为3500rpm，利用转子与定子在高速相对运动时产生的剪切、空化和机械撞击作用耦合二氧化碳流体的插入和稳定作用，对石墨进行剥离5h；(3)将反应器中的CO2排空，收集剥离得到的石墨烯，可以收集在含有分散剂聚乙烯醇的水溶液中。实施例7一种制备石墨烯的方法，采用以下步骤：(1)将石膨胀墨原料及聚甲基丙烯酸甲酯置于反应器中，石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯的重量比为20：100，控制反应器升温至20℃，向其中泵入CO2至反应器中的压力达到45MP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨烯的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将石墨原料置于反应器中，控制反应器升温至10‑80℃，向其中泵入CO2至反应器中的压力达到8‑60MPa；(2)开启与反应器连接的剪切机，调节转子的转速为3500‑9000rpm，利用转子与定子在高速相对运动时产生的剪切、空化和机械撞击作用耦合二氧化碳流体的插入和稳定作用，对石墨进行剥离1‑5h；(3)将反应器中的CO2排空，收集剥离得到的石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种制备石墨烯的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将石墨原料置于反应器中，控制反应器升温至10-80℃，向其中泵入CO2至反应器中的压力达到8-60MPa；(2)开启与反应器连接的剪切机，调节转子的转速为3500-9000rpm，利用转子与定子在高速相对运动时产生的剪切、空化和机械撞击作用耦合二氧化碳流体的插入和稳定作用，对石墨进行剥离1-5h；(3)将反应器中的CO2排空，收集剥离得到的石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，所述的石墨包括天然鳞片石墨、膨胀石墨或高定向石墨。3.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，所述的反应器内的温度优选为20-60℃，压力优选为15-45MPa。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵亚平，宋宁宁，王武聪，盖艳喆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31