一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺，步骤包括：将天然石墨分散至去离子水中并伴随搅拌，依次加入催化剂四甲基氢氧化铵和模板剂，得悬浮液，随后将所得悬浮液转移至高压反应釜中；将催化剂在高温高压状态下加热达到等离子态后，与天然石墨中的金属、非金属发生配位歧化反应；有机模板在机械力作用下逐渐插入石墨层间，获得纳米插层聚集（{膨胀}体。本发明专利技术可实现天然石墨层间隔离，利用有机物模板分子的水分散性覆盖技术，在机械力动量驱动下以分子凝胶状态介入石墨晶质体夹层，获取石墨晶质体隔离插层稳定的纳米级石墨烯产品。更关键的是，采用本发明专利技术的方案，具有无污染、产率高的优势。产率高的优势。产率高的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺


[0001]本专利技术属于石墨制备
，具体涉及一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺。

技术介绍

[0002]目前，利用天然石墨剥离生产石墨烯，均采用无机酸（碱）作为氧化还原剂，采用过氧化技术进行产品剥离。无论是采用何种无机酸，均会给生产环境带来极大的污染与危害，且生产成本高，环境维护压力大，产出效率低，产品成本与生产方式带来的隐患比较得不偿失。以混合酸法为例，需要使用36~39吨混合酸与1吨天然石墨在150℃~160℃温度下反应，才能获得1吨氧化石墨烯产品，再经过还原得到数百公斤石墨烯成品，所用巨量的混合酸和还原剂的废弃物，是石墨烯获取量的几百倍，不仅环境污染极大，而且产率低。即使是采用氢氟酸等高强度有机酸来进行氧化还原，也会造成极大的环境污染，这也是严重阻碍石墨烯产业发展的根本原因。另外，采用现有的方案无法获得隔离插层稳定的纳米级石墨烯产品。

技术实现思路

[0003]针对被
技术介绍
中提到的一项或多项技术问题，本专利技术目的在于提供一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺。本专利技术的关键在于利用催化剂撬开晶质体石墨，同时介入模板剂隔离石墨层，通过催化剂与模板剂之间存在的热解温度差来实现。
[0004]本专利技术采用了如下技术方案。
[0005]一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺，步骤包括：S1，水热合成：将天然石墨分散至去离子水中并伴随搅拌，依次加入催化剂四甲基氢氧化铵和模板剂，得悬浮液，随后将所得悬浮液转移至高压反应釜中；S2，等离子分子歧化：将催化剂在高温高压状态下加热达到等离子态后，与天然石墨中的金属（离子）、非金属（离子）发生配位歧化反应；S3：有机模板介入：有机模板在机械力作用下逐渐插入石墨层间，获得纳米插层聚集（{膨胀}体。
[0006] 作为优选，所述天然石墨为1g—Xg{X=1
‑
∞}，催化剂四甲基氢氧化铵用量为天然石墨的0.2wt
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~5wt.
‰
。
[0007]作为优选，所用有机模板采用四乙基氢氧化铵和/或苄基三甲基氢氧化铵。
[0008]作为优选，步骤S2中的反应时间为4小时到72小时。
[0009]作为优选，步骤S2的反应温度为100℃至225℃，压强为0.21MPa至2.31MPa。
[0010]作为优选，步骤S1中，机械搅拌的转速为100r/min到2000r/min。
[0011]本专利技术中，选择的模板剂沸点度一般高于催化剂沸点20%左右，水热合成温度控制在催化剂沸点进行，这样就能够保证作为插层剂的模板剂不会产生热分解而能够全部利用。
[0012]有益效果：本专利技术以催化剂对层间杂质的电子诱导（石墨烯层间杂离子的配位合
成）和同时进行的有机模板介入，即可实现天然石墨层间隔离；合成过程利用低热解温度的有机催化剂，在水热合成体系中产生的中温等离子热解分子与天然石墨层间的杂离子化合，实现杂离子歧化链接后携带传递脱出石墨晶质体夹层；与此同步具备高温稳定性的有机物作为插层模板，利用有机物模板分子的水分散性覆盖技术，在机械力动量驱动下以分子凝胶状态介入石墨晶质体夹层，获取石墨晶质体隔离插层稳定的纳米级石墨烯产品。更关键的是，采用本专利技术的方案，具有无污染、产率高的优势。
[0013]本专利技术中，插层过程是在密闭的定容空间进行的，插层剂投料比例由本领域技术人员依据石墨烯层间引力间距计算确定，理论上石墨烯的层间距计算以碳原子的范德华力直径为基础，需选择的插层剂分子范德华力直径大于0.340pm的季铵盐作为插层剂，即可实现石墨烯的插层，理论上而言，以插层剂计算需要的分子量的125%作为计算基础，以实现对石墨分子的完全分隔达成产品隔离率100%，从而实现产出率100%。
附图说明
[0014]图1是实施例中制得的纳米插层聚集（{膨胀}体，为少层晶格二维结构）；图2是实施例中制得的纳米插层聚集（{膨胀}体电阻率随电压变化的曲线。
实施方式
[0015]下面对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0016]本专利技术中，所用原料：天然晶质石墨，细小鳞片石墨。先利用有机盐（季铵盐）的固态转化为气态的等离子过程实现季铵盐离子态与晶质石墨中的杂离子配位成为有机离子配位化合物，移除在晶质石墨层间的无机盐化合物，实现杂离子的溢出；然后，利用有机盐（季铵盐）在高温下的分子稳定性，在晶质石墨杂离子的转移溢出过程中，进入晶质石墨的层间，形成有机插层隔离，在撤销热力学环境后实现晶质石墨的膜重聚，获取隔离型石墨烯产品。
实施例
[0017]一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺，步骤包括：S1，水热合成：将天然石墨分散至去离子水中并伴随搅拌，依次加入催化剂四甲基氢氧化铵和模板剂，得悬浮液，随后将所得悬浮液转移至高压反应釜中进行反应；其中，天然石墨为1g—Xg{X=1
‑
∞}，催化剂四甲基氢氧化铵用量为天然石墨的3wt.
‰
；有机模板采用苄基三甲基氢氧化铵；机械搅拌的转速为200r/min；S2，等离子分子歧化：将催化剂在高温高压状态下加热达到等离子态后，与天然石墨中的金属（离子）、非金属（离子）发生配位歧化反应；反应时间为30小时，反应温度为150℃，压强为1.8MPa；S3：有机模板介入：有机模板在机械力作用下逐渐插入石墨层间，获得纳米插层聚集（{膨胀}体。对所得纳米插层聚集（{膨胀}体进行检测，结果见图1和图2所示。由图1可知，
所得产品形态为层叠式石墨片，层厚度不大于10nm；由图2可知，压强为20 MPa时，电阻率可低至6 Ω
•
cm。
实施例
[0018]一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺，步骤包括：S1，水热合成：将天然石墨分散至去离子水中并伴随搅拌，依次加入催化剂四甲基氢氧化铵和模板剂，得悬浮液，随后将所得悬浮液转移至高压反应釜中进行反应；其中，天然石墨为1g—Xg{X=1
‑
∞}，催化剂四甲基氢氧化铵用量为天然石墨的4wt.
‰
；有机模板采用四乙基氢氧化铵；机械搅拌的转速为1000r/min；S2，等离子分子歧化：将催化剂在高温高压状态下加热达到等离子态后，与天然石墨中的金属（离子）、非金属（离子）发生配位歧化反应；反应时间为30小时，反应温度为200℃，压强为2.1MPa；S3：有机模板介入：有机模板在机械力作用下逐渐插入石墨层间，获得纳米插层聚集（{膨胀}体。
实施例
[0019]一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺，步骤包括：S1，水热合成：将天然石墨分散至去离子水中并伴随搅拌，依次加入催化剂四甲基氢氧化铵和模板剂，得悬浮液，随后将所得悬浮液转移至高压反应釜中进行反应；其中，天然石墨为1g—Xg{X=1
‑
∞}本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用天然石墨生产石墨烯的工艺，其特征在于，步骤包括：S1，水热合成：将天然石墨分散至去离子水中并伴随搅拌，依次加入催化剂四甲基氢氧化铵和模板剂，得悬浮液，随后将所得悬浮液转移至高压反应釜中；S2，等离子分子歧化：将催化剂在高温高压状态下加热达到等离子态后，与天然石墨中的金属（离子）、非金属（离子）发生配位歧化反应；S3：有机模板介入：有机模板在机械力作用下逐渐插入石墨层间，获得纳米插层聚集（{膨胀}体。2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述天然石墨为1g—Xg{X=1
‑
∞}，催化剂四甲基氢氧化铵...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新勇，罗红伟，刘毅，姚东海，郭承杰，
申请(专利权)人：重庆鼎立石墨烯技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：