石墨烯纳米材料和改性石墨烯纳米材料的制备方法与应用技术

本发明专利技术实施例公开了一种石墨烯纳米材料和改性石墨烯纳米材料的制备方法与应用，属于石墨烯纳米材料技术领域。所述石墨烯纳米材料的制备方法包括以下步骤：1)催化助剂、氧化镁及去离子水络合反应得到浆料，所述浆料经喷雾造粒和干燥焙烧，得到富含活性物质的氧化镁载体；2)所述富含活性物质的氧化镁载体在惰性气体氛围下加热至600‑900℃后，通入多碳裂解气，进行化学气相沉积反应，得到石墨烯纳米材料。本发明专利技术实施例将高单层率和高比表面积的石墨烯纳米材料与硅酸盐进行水热反应制得的改性石墨烯纳米材料被添加到混凝土中时，能显著提升混凝土的强度、韧性、耐水等性能，具有广阔的发展前景。

Preparation and Application of Graphene Nanomaterials and Modified Graphene Nanomaterials

The embodiment of the invention discloses a preparation method and application of graphene nanomaterials and modified graphene nanomaterials, belonging to the technical field of graphene nanomaterials. The preparation method of the graphene nanomaterials comprises the following steps: 1) the catalytic agent, Magnesium Oxide and deionized water react to obtain slurry; the slurry is obtained by spray granulation and dry roasting to obtain Magnesium Oxide carrier which is rich in active substances; 2) the Magnesium Oxide carrier rich in active substances is heated to 600 and 900 degrees Celsius in an inert gas atmosphere, and then the multi carbon cracking gas is put into operation. Graphene nanomaterials were synthesized by vapor deposition reaction. When the modified graphene nano-material prepared by hydrothermal reaction of high monolayer rate and high specific surface area of graphene nano-material with silicate is added to concrete, the strength, toughness, water resistance and other properties of concrete can be significantly improved, which has broad development prospects.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯纳米材料和改性石墨烯纳米材料的制备方法与应用
本专利技术实施例涉及石墨烯纳米材料
，具体涉及一种石墨烯纳米材料和改性石墨烯纳米材料的制备方法与应用。
技术介绍
随着社会工业化的深入发展，普通混凝土作为应用最广泛、最重要的传统建筑材料之一，其产量和用量都在不断地提升。普通混凝土是由水泥、粗骨料(碎石或卵石)、细骨料(砂)、外加剂和水拌合，经硬化而成的一种人造石材，其中，砂、石在混凝土中起骨架作用，抑制水泥的收缩，水泥和水形成水泥浆，填充骨料间的空隙。由于普通混凝土的刚性过大，柔性不足，易开裂，限制了它在许多领域的应用，因此高性能混凝土已成为水泥基复合材料领域中的研究热点。纳米材料是指粒径介于1-100nm的粒子，纳米粒子是处在原子簇和宏观物质交界的过渡区域，是一种典型的介观系统，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种颗粒材料。随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物质材料所不具有的小尺寸效应、量子效应、表面及宏观隧道效应等优异特性，从而使超细粉末与常规颗粒材料相比较具有一系列特殊的物理、化学性质，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。利用纳米材料开发新型的混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能。石墨烯是碳原子以SP2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，为平面多环芳香烃原子晶体，石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层，碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。由于其独特而完美的结构，使得石墨烯具有优异的电学、力学、热学和光学等特性。现有技术中，石墨烯多为氧化石墨或剥离石墨，受设备加工精度及环境污染等因素影响，所制得的石墨烯的比表面积及单层率均不高，其存在层间结合力弱，及层间功能团填充困难的缺陷，因而对混凝土改性增强的作用不明显。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
为此，本专利技术实施例提供了一种石墨烯纳米材料和改性石墨烯纳米材料的制备方法与应用，采用化学气相沉积(CVD)法制得的石墨烯纳米材料具有高单层率及高比表面积，进一步与硅酸盐发生水热反应制得的改性石墨烯纳米材料应用于混凝土时，能显著提升混凝土的强度、韧性、耐水等性能。为了实现上述目的，本专利技术实施例采用以下技术方案：在本专利技术的实施方式的第一方面中，提供了一种石墨烯纳米材料的制备方法，包括以下步骤：1)催化助剂、氧化镁及去离子水络合反应得到浆料，所述浆料经喷雾造粒和干燥焙烧，得到粒径为10-100μm、比表面积为50-200m2/g的富含活性物质的氧化镁载体；2)所述富含活性物质的氧化镁载体在惰性气体氛围下加热至600-900℃后，通入多碳裂解气，进行化学气相沉积(CVD)反应0.5-3h，得到石墨烯纳米材料。进一步地，步骤1)中，催化助剂和氧化镁按质量比1：50-100，投入盛有去离子水的搅拌反应釜中，固液质量比为1：5-20，在常压下升温至85-95℃，恒温络合反应4-6h得到浆料。进一步地，所述催化助剂为金属氧化物或金属盐，所述金属选自铜、铬、钌、镍、铝、钯、锌中的任一种。进一步地，所述步骤2)包括：2.1)流化床反应器进行气密性检测并合格后，进行惰性气体置换；2.2)在惰性气体的保护氛围下，将富含活化物质的氧化镁固体载体投入流化床反应器，并升温至600-900℃；2.3)在600-900℃的温度下，按程序分阶段持续通入经分布器混合均匀的惰性气体及多碳裂解气的混合气，其中，惰性气体与多碳裂解气的体积比为1：0.1-10，混合气与富含活性物质的氧化镁载体的质量比1：0.5-5，高温裂解的碳原子在活性物质的催化作用下，重新组对沉积到氧化镁载体表面，形成单层或少层的石墨烯纳米材料，当尾气中氢气含量小于4％时，停止通入多碳裂解气，继续通入惰性气体；2.4)在气固比为1：10-20，气速为10-30m/s的条件下，利用惰性气体将所述单层或少层的石墨烯纳米材料从流化床反应器中输送到中间料仓，结束单批次反应；2.5)继续按照2.1)、2.2)、2.3)、2.4)的步骤进行下一批次反应。进一步地，所述多碳裂解气选自甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷、乙烯、丙烯、正丁烯、异丁烯中的至少一种。在本专利技术的实施方式的第二方面中，提供了一种改性石墨烯纳米材料的制备方法，包括以下步骤：上述石墨烯纳米材料的制备方法制得的石墨烯纳米材料与硅酸盐按质量比1：3-4投入盛有去离子水的搅拌反应釜中，固液质量比为1：4-5，在中速搅拌条件下，升温至150-170℃，反应压力控制在0.6-0.8MPa，进行水热反应2-4h，即可制得改性石墨烯纳米材料。进一步地，所述硅酸盐选自硅酸钠、硅酸镁、硅酸铝中的任一种。进一步地，所述改性石墨烯纳米材料是粘度为200-2000cp(25℃)、固含量为20-30％的浆料。在本专利技术的实施方式的第三方面中，提供了一种由上述的改性石墨烯纳米材料的制备方法制得的改性石墨烯纳米材料。在本专利技术的实施方式的第四方面中，提供了上述的改性石墨烯纳米材料在混凝土材料中的应用。本专利技术实施例具有如下优点：1、本专利技术对载体种类、活性金属、络合反应条件进行优化选择，制得催化活性高的载体，多碳裂解气在高温条件下，经活性物质的催化裂解，使碳原子在氧化镁载体表面原位沉积，生成具有高单层率和高比表面积的石墨烯纳米材料。2、石墨烯纳米材料与硅酸盐发生水热反应，利用石墨烯的二维网状结构，以及高强度、高韧性、表面可修饰性和大的比表面积的特性，经硅酸根离子填充改性，形成石墨烯的杂化网络晶核，制得的改性石墨烯纳米材料被添加到混凝土中，晶核上的硅酸根进一步与混凝土中的钙离子结合，生成C-S-H凝胶，实现混凝土的硅酸钙晶格放大，进而提升混凝土的强度、韧性、耐水等性能，具有广阔的发展前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。图1为本专利技术实施例提供的一种改性石墨烯纳米材料的制备方法的流程示意图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本部分对本专利技术试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本专利技术目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本专利技术仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本专利技术所用材料和操作方法是本领域公知的。下面对本专利技术实施例的石墨烯纳米材料和改性石墨烯纳米材料的制备方法与应用进行详细说明。一种石墨烯纳米材料的制备方法，包括以下步骤：1)催化助剂、氧化镁及去离子水络合反应得到浆料，所述浆料经喷雾造粒和干燥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)催化助剂、氧化镁及去离子水络合反应得到浆料，所述浆料经喷雾造粒和干燥焙烧，得到粒径为10‑100μm、比表面积为50‑200m

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)催化助剂、氧化镁及去离子水络合反应得到浆料，所述浆料经喷雾造粒和干燥焙烧，得到粒径为10-100μm、比表面积为50-200m2/g的富含活性物质的氧化镁载体；2)所述富含活性物质的氧化镁载体在惰性气体氛围下加热至600-900℃后，通入多碳裂解气，进行化学气相沉积(CVD)反应0.5-3h，得到石墨烯纳米材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，催化助剂和氧化镁按质量比1：50-100，投入盛有去离子水的搅拌反应釜中，固液质量比为1：5-20，在常压下升温至85-95℃，恒温络合反应4-6h得到浆料。3.根据权利要求1所述的石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于，所述催化助剂为金属氧化物或金属盐，所述金属选自铜、铬、钌、镍、铝、钯、锌中的任一种。4.根据权利要求1所述的石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤2)包括：2.1)流化床反应器进行气密性检测并合格后，进行惰性气体置换；2.2)在惰性气体的保护氛围下，将富含活性物质的氧化镁载体投入流化床反应器，并升温至600-900℃；2.3)在600-900℃的温度下，按程序分阶段持续通入经分布器混合均匀的惰性气体及多碳裂解气的混合气，其中，惰性气体与多碳裂解气的体积比为1：0.1-10，混合气与富含活性物质的氧化镁载体的质量比1：0.5-5，高温裂解的碳原子在活性物质的催化作用下，重新...

【专利技术属性】
技术研发人员：董前程，张朋，曾云，孙久铭，
申请(专利权)人：河北北方国能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13