一种石墨烯粉体的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯粉体的制备方法，该方法包括：一、将石墨粉超声清洗后经真空冷冻干燥，得到预处理后的石墨粉；二、将预处理后的石墨粉在气氛保护下进行插层热处理；三、将经插层热处理后的石墨粉在低温液氮条件下进行高速振动剪切的球磨剥离，得到石墨烯粉体；本发明专利技术还公开了一种石墨烯粉体作为增强体材料在金属复合材料中的应用。本发明专利技术将真空冷冻干燥、插层热处理与低温液氮条件下的球磨剥离结合，逐步减弱石墨粉的石墨片层间的结合力并增加了石墨片层间距，逐层剥离得到低密度缺陷的多级分布的石墨烯粉体，避免了对环境的污染，且对设备要求低，产量高，适合于石墨烯粉体的规模工业化生产；本发明专利技术的应用改善了金属复合材料的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯粉体的制备方法及应用
本专利技术属于材料制备
，具体涉及一种石墨烯粉体的制备方法及应用。
技术介绍
碳元素家族的发展给现代材料科学的发展带来了新的契机。尤其是继碳纳米管之后石墨烯的发现将在能源、化工、生物、半导体等领域带来新的技术革命。2004年英国AndreGeim和KonstantinNovoselov教授首次采用机械物理剥离法发现石墨烯，并因此获得2010年诺贝尔物理学奖。至此，石墨烯作为材料届的宠儿受到科研工作者的广泛关注。简单来说，单层石墨烯是具有SP2杂化的单原子层的二维石墨微片。由于其独特的结构，赋予石墨烯极高的强度、超高的电导率和优异的功能性等特性。授权公告号CN106498209B的专利公开了一种掺杂石墨烯钨铜合金的制备方法，该方法通过添加石墨烯不仅大幅提高了钨铜合金的机械性能，还促进了其电学、热学等物理性能的提高。文献《Graphene-basedsensingofoxygentransportthroughpulmonarymembranes》(NatureCommunication,2020,1103(11):1-10)报道了基于石墨烯制备的微纳米传感器可用于快速灵敏检测肺膜的透氧率。2020年，东南大学联合常州碳星科技公司研发出石墨烯基口罩，经检测，该石墨烯基口罩对PM2.5的去除率高达97.1％。虽然实验室基础研究只需少量的石墨烯粉体即可进行相关测试和性能研究，但工业应用上石墨烯产品对石墨烯的需求量极大，昂贵的石墨烯大大增加了石墨烯产品的原料成本。市售高质量石墨烯粉体的价格成本较高，据报道单层石墨烯粉体的价格高达2000元/g，严重制约了石墨烯材料的应用和发展。目前，石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、氧化还原法和化学气相沉积。机械剥离法只适用于实验室研究，产量极其低下，而且需要有特殊的设备。氧化还原法可用于工业化生产氧化石墨烯和石墨烯粉体，但是对工艺精度要求高，可控性差，且氧含量高，化学试剂消耗大，废液不好处理；尤其是将氧化石墨烯还原为石墨烯或还原氧化石墨烯时需要用到有毒的强还原剂，对环境污染严重。化学气相沉积可用于大规模石墨烯的生产制备，但是主要用于石墨烯薄膜的制备，且对设备成本要求高。以上提到的现有制备方法均不能满足低成本工业用石墨烯粉体材料的需求。因此，针对这一窘境，急需开发一种对设备要求低、低成本、规模化的工业用石墨烯粉体制备方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种石墨烯粉体的制备方法。该方法将真空冷冻干燥、插层热处理与低温液氮条件下的球磨剥离结合，逐步减弱石墨粉的石墨片层之间的结合力并增加了石墨片层之间的距离，再逐层剥离得到低缺陷密度的多级分布的石墨烯粉体，有效提高了石墨烯粉体的质量，避免了对环境的污染，且对设备要求低，制备产量高，适合于石墨烯粉体的规模工业化生产。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、预处理：将石墨粉分散于溶剂中进行超声清洗去除表面油污和杂质，然后用乙醇清洗，再经真空冷冻干燥，得到预处理后的石墨粉；所述超声清洗的功率为30kW～100kW，时间为30min～60min；所述真空冷冻干燥的真空度为-0.1MPa，温度为-80℃，时间为10h～30h；步骤二、插层热处理：将步骤一中得到的预处理后的石墨粉在气氛保护下进行插层热处理；步骤三、球磨剥离处理：将步骤二中经插层热处理后的石墨粉在低温液氮条件下进行高速振动剪切的球磨剥离，得到石墨烯粉体。本专利技术将石墨粉(通常为市售的石墨粉)清洗后进行真空冷冻干燥，使得石墨粉形成蓬松泡沫状结构，减弱了石墨粉的石墨片层之间的范德华力等结合力，然后进行插层热处理，使得石墨粉的石墨片层之间的距离增大，然后在低温液氮条件下进行短时振动剪切的球磨剥离，即将球磨罐放置于低温液氮条件下，并在球磨罐中通入保护气体，通过控制球磨罐周围的低温液氮的流速对球磨剥离的温度进行控制，由于低温条件下石墨粉的石墨片层之间结合力较弱且脆性大，振动剪切容易打破石墨粉片层之间微弱的范德华力，从而逐层剥离石墨片，另外，由于球磨的随机性和插层热处理后石墨片层之间结合力的非均匀性，在低温液氮球磨剥离过程中，石墨粉会同时在片径方向发生剥离，从而获得低缺陷密度的多级分布的石墨烯粉体，且低温液氮条件下引入的污染小，提高了石墨烯粉体的质量纯度。本专利技术的工艺简单，解决了传统氧化还原法制备的石墨烯粉体产量低、过程不易控制、石墨烯结构和层数可控性差、结构缺陷多的难题，提高了石墨烯粉体的质量，避免了强氧化剂、还原剂等废液对环境的污染，且对设备要求低，产量高，适合于石墨烯粉体的规模工业化生产。本专利技术的低温液氮条件中的液氮温度为-196℃。上述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，步骤一中所述溶剂为丙酮。上述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，步骤二中所述气氛保护采用氢氩混合气氛，所述氢氩混合气氛中氢气与氩气的体积比为4:1，氢氩混合气氛的流量为2L/min～10L/min。上述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，步骤二中所述插层热处理的温度为600℃～1000℃，时间为4h～10h。该优选的插层热处理工艺参数有利于促进石墨烯粉的石墨片层间距的有效增大，有利于后续球磨剥离工艺的进行。上述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，步骤三中所述球磨剥离采用的磨球为硬质合金磨球，球料比为(50～100)：1，转速为1000r/min～1400r/min，时间为10min～30min。该优选的球磨剥离工艺参数有利于高速剪切在短时间内剥离石墨片层结构，获得层数和结构可控且低缺陷密度的多级分布的石墨烯粉体。上述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，步骤三中所述低温液氮的流量为10L/min～50L/min。该低温液氮的流量可有效控制石墨片层结构的剥离速度和片径大小，进而有效调控了石墨烯粉体的层数和结构。另外，本专利技术还提供了一种石墨烯粉体作为增强体材料在金属复合材料中的应用。上述的应用，其特征在于，所述金属复合材料为钛基、铜基或铝基复合材料。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术将真空冷冻干燥、插层热处理与低温液氮条件下的球磨剥离结合，减弱了石墨粉的石墨片层之间的结合力，增加了石墨片层之间的距离，再逐层剥离得到低缺陷密度的多级分布的石墨烯粉体，该制备方法工艺简单，过程易控，提高了石墨烯粉体的质量，避免了对环境的污染，且对设备要求低，制备产量高，适合于石墨烯粉体的规模工业化生产。2、本专利技术通过调控低温液氮条件下球磨剥离的工艺条件，以快速获得不同片径、层数和结构的石墨烯粉体，降低了石墨烯粉体的应用成本，扩大了石墨烯粉体在锂离子电池、生物医药等领域的应用。3、本专利技术将石墨烯粉体作为增强体材料应用于金属复合材料中，实现了结构功能一体化，且石墨烯粉体的缺陷密度低，应用时大部分的石墨烯粉体保留在金属材料的晶界处，起到良好的电子传导能力和载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、预处理：将石墨粉分散于溶剂中进行超声清洗去除表面油污和杂质，然后用乙醇清洗，再经真空冷冻干燥，得到预处理后的石墨粉；所述超声清洗的功率为30kW～100kW，时间为30min～60min；所述真空冷冻干燥的真空度为-0.1MPa，温度为-80℃，时间为10h～30h；/n步骤二、插层热处理：将步骤一中得到的预处理后的石墨粉在气氛保护下进行插层热处理；/n步骤三、球磨剥离处理：将步骤二中经插层热处理后的石墨粉在低温液氮条件下进行高速振动剪切的球磨剥离，得到石墨烯粉体。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、预处理：将石墨粉分散于溶剂中进行超声清洗去除表面油污和杂质，然后用乙醇清洗，再经真空冷冻干燥，得到预处理后的石墨粉；所述超声清洗的功率为30kW～100kW，时间为30min～60min；所述真空冷冻干燥的真空度为-0.1MPa，温度为-80℃，时间为10h～30h；
步骤二、插层热处理：将步骤一中得到的预处理后的石墨粉在气氛保护下进行插层热处理；
步骤三、球磨剥离处理：将步骤二中经插层热处理后的石墨粉在低温液氮条件下进行高速振动剪切的球磨剥离，得到石墨烯粉体。


2.根据权利要求1所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，步骤一中所述溶剂为丙酮。


3.根据权利要求1所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，步骤二中所述气氛保护采用氢氩混合气氛，所述氢氩混合气氛中...

【专利技术属性】
技术研发人员：董龙龙，李亮，刘跃，卢金文，霍望图，张伟，张于胜，
申请(专利权)人：西安稀有金属材料研究院有限公司，西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61