一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及石墨烯材料的制备领域，具体涉及一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法。将石墨粉与研磨介质混合，其中研磨介质为陶瓷微球和不同金属微球组成的复合研磨介质。因不同金属微球为小粒径介质，在交变电场下产生的振动力、振幅不同，从而带动陶瓷微球和石墨做紊乱的运动，在振动过程中研磨剥离石墨得到石墨烯。本发明专利技术提供上述方法能有效克服了传统大颗粒研磨介质对石墨直接强冲击造成的石墨烯再重叠和产率低的缺陷，实现可控机械力保证石墨烯晶格完整。

A method of using alternating electric field vibration grinding the exfoliation of graphene

The present invention relates to the field of preparation of graphene materials, particularly relates to a method for using alternating electric field vibration grinding the exfoliation of graphene. The graphite powder is mixed with the grinding medium, in which the grinding medium is a composite abrasive medium consisting of ceramic microspheres and different metal microspheres. Because different metal microspheres are small size medium, the vibration force and amplitude produced by alternating electric field are different, so as to drive the ceramic microspheres and graphite to move in disorder. The above method can effectively overcome the defect of overlapping and low yield of graphene caused by direct strong impact of traditional large abrasive medium, and achieve controllable mechanical force to ensure the integrity of graphene lattice.

【技术实现步骤摘要】
一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法
本专利技术涉及石墨烯材料的制备领域，具体涉及一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法。
技术介绍
碳元素广泛存在于自然界中，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。碳元素有多种同素异形体，最为人们所熟知的就是sp2杂化的石墨和sp3杂化的金刚石。1985年富勒烯(Fullerene)的发现和1991年碳纳米管的发现，扩大了碳的同素异形体的范畴。2004年另一种具有理想二维结构和奇特电学性质的碳的同素异形体——石墨烯被成功制备，引发了新一波碳质材料研究热潮。石墨烯是由一层碳原子组成的二维碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六边形的晶格组成，可以看作是一层被剥离的石墨片层。石墨烯具有优异的结构刚性和良好的导电性，这些优异的特性使石墨烯拥有十分广阔的发展前景。石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法，研磨法是机械剥离法中的一种，适用于工业化大规模生产，然而，研磨机由于能够提共较高的剪切力，成为机械剥离制备石墨烯的常用设备。然而在具体使用时，由于大颗粒研磨介质对石墨的强力冲击，极易造成被剥离石墨烯的再重叠，因此直接研磨能耗高、石墨烯产率低。中国专利技术专利申请号201110103401.6公开了一种电场剥离氧化石墨烯的方法，以氧化石墨为原料，配合利用十二烷基硫酸钠表面活性剂，在交变电场的作用下剥离得到氧化石墨烯。但是，该专利技术使用氧化石墨烯作为原料，在石墨烯表面有很多悬挂键，这些悬挂键将捕捉液体中的离子，影响石墨烯的性能，而且剥离方向平行于电场方向，但是石墨在空间中是随机分布的，导致剥离不完全。中国专利技术专利申请号201210038258.1公开了一种电场剥离插层石墨制备石墨烯的方法，现将石墨进行氯化物插层处理，通过配置插层石墨悬浊液置于交变电场中，对插层石墨进行剥离，制得含有石墨烯的溶液，与上述制备环境类似，该方案需要提供液态环境和氯化物的插层，会导致石墨烯表面吸附离子，而在后期处理过程中没法去除，影响石墨烯产品的性能。中国专利技术专利申请号201210493974.9公开了一种多孔状氧化石墨烯的制备方法，在石墨溶胶溶液的两侧施加电场作用，带负电的氧化石墨颗粒开始向正极运动；当电场作用方向相反时，氧化石墨颗粒又开始向相反的方向运动，如此往复，最终使氧化石墨剥离成单层氧化石墨烯。但是，该方案需要周期往复电场，整体的剥离周期很长，而且会引入杂质离子，影响石墨烯性能。综上所述，目前的电场剥离石墨烯方法面临两大问题：一是在剥离过程中引入杂质原子和离子，影响石墨烯的产品性能；二是周期性的交变电场剥离石墨烯的产量低，只有在平行于电场方向上的石墨能够剥离，生产周期长，不适合大规模工业化生产，而且石墨烯产品的分散性较差，进而导致后处理过程复杂，生产成本增加等问题。因此，目前还没有一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法。
技术实现思路
针对现有技术中在液相环境中，采用交变电场剥离石墨烯的技术缺陷，本专利技术提出一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，将石墨粉与研磨介质混合，其中研磨介质为陶瓷微球和不同金属微球组成的复合研磨介质。因不同金属微球为小粒径介质，在交变电场下产生的振动力、振幅不同，从而带动陶瓷微球和石墨做紊乱的运动，在振动过程中研磨剥离石墨得到石墨烯。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，采用石墨粉作为原料，将石墨粉与研磨介质混合，包括以下步骤：（1）清洗原料石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干后备用；（2）清洗干燥研磨介质陶瓷微球以及清洗干燥研磨介质金属微球；（3）将质量比为1:1-5:1-5的石墨粉与陶瓷微球和金属微球放入研磨腔体中，通过施加交变电场引发金属微球振动碰撞，带动陶瓷微球和石墨做紊乱的运动，研磨0.5-1h后获得石墨烯材料，其中，所述交变电场的电压幅值和频率分三个阶段控制；所述金属微球为Nb、Mo、Fe、Ni、W、Hf、Zr微球中的至少两种，所述金属微球的尺寸为0.01-0.1mm；所述陶瓷微球的尺寸为0.1-1mm。优选的，所述石墨粉为鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨、氧化石墨中的至少一种，所述石墨粉粒径小于等于10μm。优选的，所述清洗原料石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干后备用，包括以下步骤：在浓度为3.5~5%的HF溶液中超声0.5~1分钟，去除石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，在80~90℃的氩气保护下烘干石墨粉。优选的，所述陶瓷微球为二氧化硅微球、二氧化锆微球、玛瑙微球和氧化铝微球中至少一种。优选的，所述清洗干燥陶瓷微球包括以下步骤：采用温度为80℃的SPM溶液清洗5分钟后，用去离子水冲洗，再在酒精溶液中超声1分钟，去除表面的油脂，最后用去离子水冲洗，去除酒精残留液，用热氮气吹干；所述SPM溶液为H2SO4:H2O2=1:4的强氧化性溶液；所述热氮气为纯度为99.9%的氮气，温度为80-90℃。优选的，所述清洗干燥金属微球包括以下步骤：采用温度为40℃的丙酮溶液清洗5分钟后，去除表面的油脂，用去离子水冲洗，再在酒精溶液中超声1分钟，最后用去离子水冲洗，去除酒精残留液，用热氮气吹干；所述热氮气为纯度为99.9%的氮气，温度为80-90℃。优选的，所述研磨腔体为304不锈钢材质，壁厚为1.5cm，设置研磨的环境温度为300-400℃。优选的，所述分三个阶段控制研磨具体为：第一阶段使用交变电场的电压幅值范围为800-1500V，交变电场的频率范围为100-500Hz，研磨0.1-0.2h；第二阶段使用交变电场的电压幅值范围为100-400V，交变电场的频率范围为600-800Hz，研磨0.3-0.5h；第三个阶段使用交变电场的电压幅值范围为100-500V，交变电场的频率范围为1000-1500Hz，研磨0.1-0.3h；通过三个阶段剥离控制研磨，获得石墨烯材料。现有方案中的，目前的电场剥离石墨烯方法面临剥离过程中引入杂质原子和离子，影响石墨烯的产品性能，而且只有在平行于电场方向上的石墨能够剥离，周期性的交变电场剥离石墨烯的产量低，生产周期长等棘手问题。鉴于此，本专利技术提出一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，将石墨粉与研磨介质混合，其中研磨介质为陶瓷微球和不同金属微球组成的复合研磨介质。因不同金属微球为小粒径介质，在交变电场下产生的振动力、振幅不同，从而带动陶瓷微球和石墨做紊乱的运动，在振动过程中研磨剥离石墨得到石墨烯。本专利技术提供上述方法能有效克服了传统大颗粒研磨介质在研磨机中对石墨直接强冲击造成的石墨烯再重叠和产率低的缺陷，实现石墨烯微机械剥离不破坏石墨烯表面的技术效果。本专利技术一种利用交变电场振动研磨剥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，采用石墨粉作为原料，将石墨粉与研磨介质混合，包括以下步骤： （1）清洗原料石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干后备用；（2）清洗干燥研磨介质陶瓷微球以及清洗干燥研磨介质金属微球；（3）将质量比为1:1‑5:1‑5的石墨粉与陶瓷微球和金属微球放入研磨腔体中，通过施加交变电场引发金属微球振动碰撞，带动陶瓷微球和石墨做紊乱的运动，研磨0.5‑1h后获得石墨烯材料，其中，所述交变电场的电压幅值和频率分三个阶段控制；所述金属微球为Nb、Mo、Fe、Ni、W、Hf、Zr微球中的至少两种，所述金属微球的尺寸为0.01‑0.1mm；所述陶瓷微球的尺寸为0.1‑1mm。

【技术特征摘要】
1.一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，采用石墨粉作为原料，将石墨粉与研磨介质混合，包括以下步骤：（1）清洗原料石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干后备用；（2）清洗干燥研磨介质陶瓷微球以及清洗干燥研磨介质金属微球；（3）将质量比为1:1-5:1-5的石墨粉与陶瓷微球和金属微球放入研磨腔体中，通过施加交变电场引发金属微球振动碰撞，带动陶瓷微球和石墨做紊乱的运动，研磨0.5-1h后获得石墨烯材料，其中，所述交变电场的电压幅值和频率分三个阶段控制；所述金属微球为Nb、Mo、Fe、Ni、W、Hf、Zr微球中的至少两种，所述金属微球的尺寸为0.01-0.1mm；所述陶瓷微球的尺寸为0.1-1mm。2.根据权利要求1所述一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，其特征在于：所述石墨粉为鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨、氧化石墨中的至少一种，所述石墨粉粒径小于等于10μm。3.根据权利要求1所述一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，其特征在于：所述清洗原料石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干后备用，包括以下步骤：在浓度为3.5~5%的HF溶液中超声0.5~1分钟，去除石墨表面杂质，最后用去离子水冲洗，去除HF残留液，在80~90℃的氩气保护下烘干石墨粉。4.根据权利要求1所述一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，其特征在于：所述陶瓷微球为二氧化硅微球、二氧化锆微球、玛瑙微球和氧化铝微球中至少一种。5.根据权利要求1所述一种利用交变电场振动研磨剥离石墨烯的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，曾军堂，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