[发明专利]一种基于无烟煤的石墨烯及氧化石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯及石墨烯的制备方法，具体涉及一种基于无烟煤的氧化石墨烯及石墨烯的制备方法。

背景技术

自从2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim及Konstantin Novoselof首次成功剥离热解石墨并观测到石墨烯以来(Novoselov，K.S.；Geim，A.K.；Morozov，S.V.；Jiang，D.；Zhang，Y.；Dubonos，S.V.；Grigorieva，I.V.；Firsov，A.A.Science2004，306，666-9)，学界内对于新型碳材料的研究热度就一直没有消退过。石墨烯的成功分离意味着理论对于二维晶体热力学不稳定的预言被破除，也就带来了许多新领域研究的可能。

完美的石墨烯具有理想的二维结构，它由六边形晶格组成，每个碳原子通过σ键在晶格平面方向上与其他的三个碳原子结合，未成σ键的电子则作为π电子，组成了垂直于晶格平面的π轨道体系。π电子可在平面上任意移动，这赋予了石墨烯极好的导电性，能够承受比铜高六个数量级的电流密度。同样，石墨烯也具有创纪录的导热性。纯净石墨烯的导热率高达2000-4000Wm-1.K-1，且具有极好的强度和极高的表面积。不仅如此，石墨烯的特殊结构也赋予其独特的能带结构，使其具有完美的隧穿效应和半整数的量子霍尔效应、以及它从不消失的电导率。这些独特的性能使其在材料和电子电路等方面有着极大的应用前景。

传统的石墨烯合成方法可分为两种，分别是物理方法和化学方法，得到的石墨烯性状也有所不同。物理法中有机械剥离法、电弧放电法、超声分散法等不同方案，得到的石墨烯片层比较完整，但是都存在产率过低、产品质量不稳定、需要特种设备和成本过高的问题；而化学方法可以分为自下而上的有机合成法、氧化还原法、溶剂热法和化学气相沉积法等几种。其中，有机合成法对设备和原料要求严格，难以量产；溶剂热法无法稳定产品质量，平均质量较差；化学气相沉积法的成本过高，而且无法规模化生产。这当中氧化还原法无需特种设备，得到的石墨烯质量稳定，因此是最有可能作为石墨烯工业化生产的方案。

在氧化还原法制备石墨烯的过程中，涉及氧化石墨烯中间体的形成。这种中间体要经过强酸插层，并由强氧化剂对插层石墨进行深度氧化，使石墨从片层外围形成大量羧基和羰基后，再向片层内部形成大量的羟基和环氧基，经过超声剥离，才能形成一定分散程度的氧化石墨烯。这一步中存在大量的强酸和强氧化剂的使用，且存在大量放热的问题，由此使石墨烯制备中的设备要求始终高居不下，无法进行有效的批量化生产。不仅如此，在氧化还原法制备石墨烯的过程中，对石墨本身的品质也有较高的要求，一般以价格较高的、高纯的鳞片石墨作为主要反应原料。这使石墨烯的生产成本被进一步被提升。其中，高品质的单层石墨烯的生产成本更是居高不下。因此，开发出一种低成本的石墨烯或氧化石墨烯的生产原料，并基于该原料设计一套更合理的生产工艺，可以有效地降低石墨烯或氧化石墨烯的生产难度和生产成本，从而使石墨烯的量产成为可能。

煤炭作为一种被广泛应用在化工、能源上的传统材料，其化学组成可以被视作由大量带有不同基团、缩合度不同的稠环聚合而成的高分子，在稠环之外，还有一些脂肪环和杂环，以及部分烷基等含碳基团。除了含碳基团之外，煤中也存在大量不同的烷氧基，羟基，羧基和巯基，氨基等含氧、硫、氮的复杂基团（主要是含氧基团）。因此，对于煤，可根据其含碳基团对应的碳含量和含氧基团的氧含量之比来进行煤的分类。其中，最高煤化程度的无烟煤是含碳量最高的煤，其含碳量一般可达到90%以上，而无烟煤基本结构中单元核的芳香环数也急剧增大，逐渐有向石墨结构转变的倾向，这在Larsen的模型中被体现的较为明显（Cooper,B.R..Petrakis,L.Eds.,American Institute of Physics:New York,66-81(1981)）。理论上，这种类似石墨的结构可以有效地作为石墨烯及氧化石墨烯合成的前体。我国煤炭资源丰富，价格低廉。因此，若能以无烟煤作为石墨烯的原料，则可以有效地降低石墨烯的生产成本，且无烟煤中始终保留部分羟基及羰基羧基基团，因此对于氧化石墨烯的形成较石墨更有优势。

发明内容

为了解决现有技术生产氧化石墨烯及石墨烯生产成本过高的问题，本发明提出能够有效降低生产成本的一种基于无烟煤的氧化石墨烯及石墨烯的制备方法。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于无烟煤的氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：