在真空或惰性气体环境中用微波辐照制备石墨烯材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种在真空或惰性气体环境中用微波辐照制备石墨烯材料的方法，包括以下制备步骤：取干燥的氧化石墨颗粒置于微波室的真空腔内，关闭真空腔顶盖；将真空腔内的气压抽至极限真空状态；将气体注入到真空腔中；直到将真空腔内的残余氧气驱赶干净；启动微波辐照，直到氧化石墨爆炸解离；关闭微波辐照，将真空腔气压充满到一个大气压状态；打开真空腔顶盖，收集爆炸还原的氧化石墨粉末。本发明专利技术利用微波加热集中，功率大的特点，短时间加热氧化石墨，使氧化石墨瞬间加热还原，并迅速膨胀，释放出大量气体；真空室能有效隔绝氧气和石墨烯的接触，避免高温还原过程中石墨烯的燃烧，从而提高还原产率。

Method for preparing graphene material by microwave irradiation in vacuum or inert gas environment

The invention relates to a method for preparing graphene materials by microwave irradiation in vacuum or inert gas environment, which comprises the following steps: preparation of graphite oxide particles from the vacuum chamber is placed in a microwave drying chamber, close the vacuum cavity cover; vacuum chamber pressure will be pumped to limit vacuum state; inject gas into the vacuum in the cavity; until the residual oxygen driven vacuum chamber clean; start the microwave irradiation, until the explosion of graphite oxide dissociation; closed microwave irradiation, the vacuum pressure filled to a state of atmospheric pressure; open the vacuum chamber cover, collect the explosion of graphite oxide powder reduction. The use of microwave heating, high power, short time heating of graphite oxide, the reduction of graphite oxide instantaneous heating and rapid expansion, the release of large amounts of gas; the vacuum chamber can effectively isolate oxygen and graphene contact, avoid Shi Moxi high temperature reduction in combustion process, so as to improve the yield of reduction.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，得 到的产品可应用于多个
，包括储能、涂层材料。本专利技术具体地说是一种制备高比表 面积、高导电性石墨烯材料的工艺方法。
技术介绍
石墨烯，英文名Graphene，是碳原子按照六角排列而成的二维晶格结构。作为单层 碳原子平面材料，石墨烯可以通过剥离石墨材料而得到。这种石墨晶体薄膜自2004年被曼 彻斯特大学的科学家发现之后，石墨烯就成为科学界和工业界关注的焦点。石墨烯的厚度 只有0. 335纳米，不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下 传递电子的速度比已知所有的导体和半导体都快(石墨烯中电子的迁移速度达到了光速 的1/300)。由于石墨烯的特殊原子结构，其中载流子(电子和空穴)的行为必须用相对论 量子力学(relativistic quantum mechanics)才能描绘。同时，作为单层碳原子结构，石 墨烯的理论比表面积高达^30m2/g。如此高的比表面积使得以基于石墨烯的材料成为极有 前途的能量储存活性材料，使得石墨烯材料有可能在储氢、新型锂离子电池、超级电容器或 者燃料电池得到应用。目前有以下几种方法制备这种特殊的材料1.轻微摩擦法或撕胶带发(粘贴H0PG)这种方法简单易行，容易得到高质量的石墨烯。但是产率极低，在一块Si衬底上 通常只能得到若干片微米见方的石墨烯。因此这种方法只适用于实验室制备石墨烯，不适 用于工业化大规模生产。2.加热 SiC 法该法是通过加热单晶6H_SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。具 体过程是将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化 物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250 1450°C后恒温1分钟到20分钟，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，Berger等人已 经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。由于其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单 一厚度的石墨烯比较困难。该方法可以实现大尺寸，高质量石墨烯制备，是一种对实现石墨烯器件的实际应 用非常重要的制备方法，缺点是SiC过于昂贵，并且得到的石墨烯难以转移到其他衬底上。3.金属衬底化学气相沉积法化学气相沉积法是利用衬底的原子结构外延出石墨烯，首先让碳原子在高温 (IOOO0C )下溶解到金属衬底中，金属的碳溶解度随着温度降低而降低。当衬底冷却后，碳 原子在金属中达到过饱和状态，之前溶解的大量碳原子就会析出到金属表面形成厚度可控 的石墨烯。这种方法可以到高质量大面积(厘米尺寸)的单层或者多层石墨烯，是目前最为 重要的一种石墨烯制备方法。然而，同加热SiC方法一样，该方法不适合用来生产石墨烯粉 末材料。4.化学分散法氧化石墨是石墨在H2S04、HN03、HClO4等强氧化剂的作用下，或电化学过氧化作用 下，经水解后形成的。氧化石墨同样是一层状共价化合物，层间距离大约为0.8nm(石墨为 0. 335nm)依制备方法而异。一般认为，氧化石墨中含有-C_0H、-C-0-C，甚至-COOH等基团。 和石墨不同，由于极性基团的存在，氧化石墨片层具有较强的亲水或极性溶剂的特性。因 此，氧化石墨在外力，如超声波的作用下在水中或其它极性溶剂中可以发生剥离，形成单层 氧化石墨烯(graphene oxide) 0制得氧化石墨烯后，再通过化学还原使所制氧化石墨烯脱 氧重新石墨化，保持其几何形貌时可恢复部分其导电性。该方法在氧化和还原过程中将天然石墨粉解离成单层石墨。虽然在氧化还原过程 中只是部分还原其导电性(破坏了石墨烯本身的高电子迁移率)，但是其产品具有相当高 的粉末比表面积(> 700m2/g)，且过程相对简单，因此该方法最适合工业化大规模生产石墨 烯材料。科研工作者还在积极寻找更好的化学还原方法，以期提高还原氧化石墨烯的质量 (主要是导电性)。目前，主要有下面几种方法1)水合阱还原法，详见图1工艺流程图。2)热处理还原法，详见图2工艺流程图。3)微波辐照还原法，详见图3工艺流程图。 以上的几种还原方法具有不同的特点。其中化学还原法可以得到石墨烯还原之后 的悬浮液，但是其过程繁琐，不利于大规模生产。而且其中所用的还原剂，比如水合胼具有 非常大的毒性，以至于这个还原方法对人身健康和环境保护构成了较大的威胁。热还原方 法具有快速和还原比较彻底的优点；但是由于加热一般需要在1000°c以上的高温下进行， 增加了整个过程的能耗。而且，这个方法需要高温加热炉等比较昂贵设备。微波辐照加热 具有速度快，成本低，使用简单等特点。此过程可在普通微波炉中进行，辐照氧化石墨颗粒 一分钟之内即可得到黑色的蓬松的石墨烯粉末。但是普通的微波辐照在空气中进行，先还 原得到的石墨烯在微波辐照下极易燃烧甚至引起火患，为这个方法的大规模应用带来了潜 在的安全威胁。而且，石墨烯的燃烧消耗了产物里的碳，使得最终产率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种真空或惰性气体环境微波辐 照制备石墨烯材料的方法，利用微波加热集中，功率大的特点，短时间加热氧化石墨，使氧 化石墨瞬间加热还原，并迅速膨胀，释放出大量气体；可有效隔绝氧气和石墨烯的接触，避 免高温还原过程中石墨烯的燃烧，从而提高还原产率。按照本专利技术提供的技术方案，，该方法在提高石墨烯材料产率的同时，解决可能的安全隐患。本专利技术具体包括以下步骤1、取干燥的氧化石墨颗粒(粒径1 300毫米)置于微波室的真空腔内，关闭真 空腔顶盖；2、将真空腔内的气压抽至极限真空状态4 8X 10_2托(Torr)；3、将气体注入到真空腔中，直到气压高过100托(Torr)；4、将真空腔的气压抽至极限4 8X 10_2托(Torr)；5、重复步骤( 和步骤(4)的操作步骤2 3次；直到将真空腔内的残余氧气驱 赶干净；6、打开微波，微波功率设置在500 10000W，微波辐照5 300秒，直到氧化石墨爆炸解离；7、关闭微波，将真空腔气压充满到一个大气压状态；8、打开真空腔顶盖，收集爆炸还原的氧化石墨粉末。所述氧化石墨粉末粒径为 1 100微米。所述气体为99. 999%氮气或99. 99%氩气。本专利技术与已有技术相比具有以下优点本专利技术结构简单、紧凑，合理；它的工艺流程包括氧化石墨真空微波辐照还原，以 及氧化石墨在特殊气氛环境下的微波辐照改性等，特点是利用微波加热集中，功率大的特 点，短时间加热氧化石墨，使氧化石墨瞬间加热还原，并迅速膨胀，释放出大量气体。本专利技术 在微波腔设计真空室，有效隔绝氧气和石墨烯的接触，避免高温还原过程中石墨烯的燃烧， 从而提高还原产率。本专利技术具有设备简单、节能、高产率、容易实现大规模生产等特点。附图说明图1是已有技术中水合阱还原法工艺流程图。图2是已有技术中热处理还原法工艺流程图。 图3是已有技术中微波辐照还原法工艺流程图。 图4是本专利技术的设备示意图。图5是本专利技术的工艺流程图。具体实施例方式下面将通过实例对本专利技术作进一步详细说明。图4所示，由第一阀门1、第二阀门2、微波室3、真空腔顶盖4、机械泵5、真空腔6、 真空计、氮气气瓶7、氩气气瓶8组成的氧化石墨还原系统，将真空腔6设置在微波室3中； 该真空腔6有进出口穿过微波室3与外部的机械泵5和真空计相连本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在真空或惰性气体环境中用微波辐照制备石墨烯材料的方法，其特征是：包括以下制备步骤：（１）、取干燥的氧化石墨颗粒置于微波室的真空腔内，关闭真空腔顶盖；（２）、将真空腔内的气压抽至极限真空状态４～８×１０－２Ｔｏｒｒ；（３）、将气体注入到真空腔中，直到气压高过１００Ｔｏｒｒ；（４）、将真空腔的气压抽至极限４～８×１０－２Ｔｏｒｒ；（５）、重复步骤（３）和步骤（４）的操作步骤２～３次；直到将真空腔内的残余氧气驱赶干净；（６）、启动微波辐照，微波功率设置在５００～１００００Ｗ，微波辐照５～３００秒，直到氧化石墨爆炸解离；（７）、关闭微波辐照，将真空腔气压充满到一个大气压状态；（８）、打开真空腔顶盖，收集爆炸还原的氧化石墨粉末。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿研，
申请(专利权)人：无锡第六元素高科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：32