一种规模化制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将石墨、高锰酸钾和硫酸混合均匀，0～100℃搅拌反应10～120min，再加入水和过氧化氢溶液，搅拌反应1～15min，固液分离，得到插层石墨；2)将插层石墨用水分散后置于微波反应器中，充入保护气，微波反应1～15min，固液分离，得到石墨烯。本发明专利技术的方法工艺简单、流程短、反应条件温和、成本低廉，易于规模化生产，且制备得到的石墨烯性能优异，结构缺陷少，不同批次间的质量稳定性好，在诸多领域具有十分广阔的应用前景。

A method of scale preparation of graphene

The present invention discloses a method of large-scale preparation of graphene, including the following steps: 1) mixing graphite, Potassium Permanganate and sulfuric acid evenly, stirring reaction of 10 ~ 120min at 0~100 C, adding water and hydrogen peroxide solution, stirring reaction 1 ~ 15min, separating solid liquid and getting intercalated graphite; 2) dispersing intercalated graphite after dispersing In the microwave reactor, the shielding gas was filled with microwave reaction for 1 ~ 15min, and solid liquid separation was used to obtain graphene. The method has the advantages of simple process, short process, mild reaction condition, low cost, easy to scale production, and the prepared graphene has excellent properties, less structural defects, good quality stability between different batches, and has a very broad application prospect in many fields.

【技术实现步骤摘要】
一种规模化制备石墨烯的方法
本专利技术涉及一种规模化制备石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，具有独特的二维纳米结构，具有电子传输速率高、导电性好、热导率高等优点，是目前已知的最薄却最坚硬、导电导热性能最好的纳米材料，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都有很好的应用前景。目前，石墨烯的制备方法主要包括：机械剥离法、气相沉积法、液相剥离法和氧化还原法等。其中，氧化还原法是目前公认的可以廉价大量获得石墨烯的方法。氧化还原法制备石墨烯包括氧化和还原两个过程：1)使用浓硫酸、高锰酸钾、双氧水等强氧化剂将石墨氧化，并通过超声分散或热膨胀获得氧化石墨烯；2)通过还原剂或者高温等方式将氧化石墨烯还原成石墨烯。然而，浓硫酸、高锰酸钾、双氧水等强氧化剂会严重破坏石墨烯的晶体结构，超声剥离也会对石墨烯片层造成破坏，而且在还原过程中并不能使石墨烯完全恢复其二维晶体结构，导致制备的石墨烯存在较多的结构缺陷，性能不够理想。微波是一种频率极高的电磁波，具有加热均匀、快速高效、可用于大规模生产等优点，所以有研究人员试图将微波技术应用到石墨烯制备中，但均未取得令人满意的成果。CN102107870A公开了一种利用微波快速制备石墨烯的方法，先将氧化石墨研磨成细粉，再在高真空状态下进行微波辐射，得到石墨烯，但该方法存在制备过程冗长、需要高真空条件、对设备要求较高、设备制备成本高等缺点，无法大规模推广使用；论文“微波固相剥离法制备功能化石墨烯及其电化学电容性能研究(无机化学学报，2010，26(8)：1375～1381)”也公开了一种利用微波制备石墨烯的方法，先利用Hummers法制备氧化石墨烯，再通过微波炉加热制备得到石墨烯，该方法制备的氧化石墨氧化程度高，对微波的吸收性能较差，所以剥离时会出现诸多官能团无法被成功剥离的现象，导致制备的石墨烯性能不够理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种规模化制备石墨烯的方法。本专利技术所采取的技术方案是：一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将石墨、高锰酸钾和硫酸混合均匀，0～100℃搅拌反应10～120min，再加入水和过氧化氢溶液，搅拌反应1～15min，固液分离，得到插层石墨；2)将插层石墨用水分散后置于微波反应器中，充入保护气，微波反应1～15min，固液分离，得到石墨烯。步骤1)所述的石墨、高锰酸钾和硫酸的质量比为1：(0.5～1.5)：(10～30)。步骤1)所述的石墨、水和过氧化氢溶液的添加量比为1g：(15～25)mL：(1～3)mL。步骤1)所述的硫酸的质量分数为30％～99％。步骤1)所述的过氧化氢溶液的质量分数为5％～30％。步骤2)中的插层石墨用水分散后含水率为75％～99％。步骤2)所述的保护气为氮气、氩气中的至少一种。步骤2)所述的微波的功率为500～3000W。本专利技术基于如下原理：石墨经过插层剂插层处理之后，层间距离变大，层间作用力减小，且石墨边缘携带含氧基团，使得石墨的亲水性增强，水分子扩散进入石墨层间，极性的水分子经微波辐射后会剧烈震动，在石墨层间产生巨大的作用力，当作用力大于石墨层间的范德华力时，就会导致石墨的层状结构崩塌，使得石墨被剥离形成石墨烯，同时，插层石墨上的含氧官能团受到微波辐射会分解成气体，而这些气体也会产生作用力对石墨层进行剥离，从而得到石墨烯。本专利技术的有益效果是：本专利技术的方法工艺简单、流程短、反应条件温和、成本低廉，易于规模化生产，且制备得到的石墨烯性能优异，结构缺陷少，不同批次间的质量稳定性好，在诸多领域具有十分广阔的应用前景。1)本专利技术使用的插层剂和氧化剂的量很少，插层石墨的氧化程度低，对微波的吸收作用强，且插层石墨上含有含氧基团，能够很好地分散在水中；2)本专利技术利用微波在水分子的极化作用和弱氧化石墨片层的热效应两者的协同作用下剥离还原成石墨烯，避免了使用大功率超声剥离设备容易造成的石墨烯片层结构损坏，同时也避免使用高毒性、高污染的化学还原剂。附图说明图1为实例1的石墨烯的TEM图。具体实施方式一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将石墨、高锰酸钾和硫酸混合均匀，0～100℃搅拌反应10～120min，再加入水和过氧化氢溶液，搅拌反应1～15min，固液分离，得到插层石墨；2)将插层石墨用水分散后置于微波反应器中，充入保护气，微波反应1～15min，固液分离，得到石墨烯。优选的，一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将石墨、高锰酸钾和硫酸混合均匀，25～100℃搅拌反应60～120min，再加入水和过氧化氢溶液，搅拌反应4～10min，固液分离，得到插层石墨；2)将插层石墨用水分散后置于微波反应器中，充入保护气，微波反应4～10min，固液分离，得到石墨烯。优选的，步骤1)所述的石墨、高锰酸钾和硫酸的质量比为1：(0.5～1.5)：(10～30)。优选的，步骤1)所述的石墨、水和过氧化氢溶液的添加量比为1g：(15～25)mL：(1～3)mL。优选的，步骤1)所述的硫酸的质量分数为30％～99％。进一步优选的，步骤1)所述的硫酸的质量分数为50％～99％。优选的，步骤1)所述的过氧化氢溶液的质量分数为5％～30％。优选的，步骤2)中的插层石墨用水分散后含水率为75％～99％。优选的，步骤2)所述的保护气为氮气、氩气中的至少一种。优选的，步骤2)所述的微波的功率为500～3000W。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的解释和说明。实施例1：一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将5g石墨、5g高锰酸钾和100mL质量分数70％的硫酸混合均匀，70℃搅拌反应60min，再加入100mL去离子水和10mL质量分数10％的过氧化氢溶液，搅拌反应5min，8000r/min离心5min，得到插层石墨；2)将插层石墨用15mL去离子水分散(插层石墨用水分散后含水率为75％)，再置于微波反应器中，充入氮气保护，800W微波辐射5min，过滤，得到石墨烯。经测试，本实施例制备的石墨烯的电导率>1250S/cm，其TEM图如图1所示。实施例2：一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将5g石墨、5g高锰酸钾和80mL质量分数90％的硫酸混合均匀，50℃搅拌反应100min，再加入100mL去离子水和10mL质量分数10％的过氧化氢溶液，搅拌反应5min，8000r/min离心5min，得到插层石墨；2)将插层石墨用20mL去离子水分散(插层石墨用水分散后含水率为80％)，再置于微波反应器中，充入氮气保护，1000W微波辐射5min，过滤，得到石墨烯。经测试，本实施例制备的石墨烯的电导率>1300S/cm。实施例3：一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将5g石墨、5g高锰酸钾和150mL质量分数50％的硫酸混合均匀，90℃搅拌反应120min，再加入75mL去离子水和15mL质量分数10％的过氧化氢溶液，搅拌反应5min，8000r/min离心5min，得到插层石墨；2)将插层石墨用30mL去离子水分散(插层石墨用水分散后含水率为85％)，再置于微波反应器中，充入氮气保护，1000W微波辐射8min，过滤，得到石墨烯。经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将石墨、高锰酸钾和硫酸混合均匀，0～100℃搅拌反应10～120min，再加入水和过氧化氢溶液，搅拌反应1～15min，固液分离，得到插层石墨；2)将插层石墨用水分散后置于微波反应器中，充入保护气，微波反应1～15min，固液分离，得到石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将石墨、高锰酸钾和硫酸混合均匀，0～100℃搅拌反应10～120min，再加入水和过氧化氢溶液，搅拌反应1～15min，固液分离，得到插层石墨；2)将插层石墨用水分散后置于微波反应器中，充入保护气，微波反应1～15min，固液分离，得到石墨烯。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述的石墨、高锰酸钾和硫酸的质量比为1：(0.5～1.5)：(10～30)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述的石墨、水和过氧化氢溶液的添加量比为1g：(15～25)mL：(1～3)mL。4.根据权利要求1～3中...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁亚涛，陈钢，杨正高，朱红芳，
申请(专利权)人：广东聚石化学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44