[发明专利]一种低成本炭质石墨烯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳素材料技术领域，具体涉及一种低成本炭质石墨烯片及其制备方法。

背景技术

2004年英国曼彻斯特大学的Geim等使用将胶带粘在一块石墨上然后再撕下来的简单方法，首次制备并观察到单层石墨烯。开启了石墨烯片的研究热潮。石墨烯片是一种只有单层或几层原子厚度的纯碳原子结构，其C-C键以sp²结合，形成一个密集的蜂窝状晶格结构。由于它具有的独特的二维碳纳米微观结构以及优异的物理属性，因而其在物理学、材料学以及凝聚态物理等领域引起了人们的广泛兴趣。目前以石墨烯片为基础的材料有着广泛的工业应用范围，如可用作锂离子电池电极材料、超级电容器、太阳能电池电极材料、储氢材料、传感器、光学材料、药物载体等。

虽然石墨烯片的应用广泛，但它的许多应用亟需实现低成本、大规模、可重复地制备结构规整、厚度和尺寸可控的石墨烯片。目前制备石墨烯片的方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法、氧化-还原法、溶剂剥离法、溶剂热法、高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。然而，上述方法制备石墨烯片普遍存在制备成本高、工艺复杂、环境污染等问题，并且难以大量制备出石墨烯片，这极大阻碍石墨烯片的推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本炭质石墨烯片及其制备方法，制得的石墨烯片结构缺陷少、制备成本低、操作简单、绿色环保、易产业化，具有显著的经济和社会效益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低成本炭质石墨烯片的制备方法包括原料的混合、真空炭化、酸洗、球磨；

（1）原料的混合

将炭质材料与添加剂按比例称取，充分球磨后备用；

所述的炭质材料为煤、焦炭、树脂炭、石墨、竹炭、活性炭中的一种；其中，煤为烟煤、动力煤、无烟煤、主焦精煤、肥精煤、焦精煤、电煤中的一种；焦炭为冶金焦、石油焦、沥青焦、针状焦中的一种；树脂炭为热塑性树脂炭、热固性树脂炭的一种；石墨为微晶石墨、土状石墨、鳞片石墨、人工合成石墨、可膨胀石墨、膨胀石墨、纳米石墨片中的一种；

所述的添加剂为锌粉、铝粉、镁粉、锡粉、钙粉、铜粉、氧化锌、氧化铝、氧化镁、氧化铜、氧化锡、氧化钙中的一种或两种的混合物；

（2）真空炭化

将步骤（1）所得的混合物放入真空炉中升温至预定温度后保温，冷却至室温后取出；

（3）酸洗

将步骤（2）所得的炭化产物置于盐酸中搅拌，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无Cl^-检测出，然后放入烘箱中进行干燥；

（4）球磨

将步骤（3）所得产物放入球磨机中进行球磨处理。

各步骤的工艺参数如下：

（1）混合工艺参数为：

炭质材料粒度：30～600目

添加剂粒度：30～600目

添加剂纯度：大于99％       

炭质材料与添加剂质量比为100:10～100:100；

（2）真空炭化工艺参数为：

升温速率：2℃/min–50℃/min

温度：1000℃–2400℃

保温时间：0.1 h–10 h

真空度：1.0×10^-2 Pa–1.0×10⁴ Pa；

（3）酸洗工艺参数为：

盐酸的pH值：1–5

炭化产物与盐酸的质量比：1:1–1:5

搅拌时间：1–5h

搅拌速度：50–1000转/分

干燥温度：110℃–200℃

干燥时间：1h–10h；

（4）球磨工艺参数为：

球磨时间：0.5h–30h

球磨转速：30–1000转/分。

所制得的石墨烯片的收率大于40％，层数为1～10层、含碳量高于98％、比表面积为50~400m²/g。

与现有的技术相比，本发明所具有的优点和效果为：原料丰富，价格低廉；工艺设备简单，绿色环保、易于大规模生产；产品结构缺陷少，无需还原处理。

附图说明

图1为采用实施例1工艺制备的石墨烯片的扫描电镜图片。

图2为采用实施例2工艺制备的石墨烯片的扫描电镜图片。

图3为采用实施例3工艺制备的石墨烯片的扫描电镜图片。

图4为采用实施例4工艺制备的石墨烯片的扫描电镜图片。