[发明专利]一种利用聚苯乙烯泡沫大规模制备石墨烯片的方法

说明书

本发明属于石墨烯片材料技术领域，具体涉及一种利用聚苯乙烯泡沫大规模制备石墨烯片的方法。先预交联聚苯乙烯泡沫，然后三氯化铁负载超交联聚苯乙烯泡沫，最后碳化，得石墨烯片。本发明提供了一种利用聚苯乙烯泡沫作为碳源、催化石墨化制备石墨烯片的方法，产率高到70%以上；该方法不仅简单、条件温和、安全、产率高，原料价格极为低廉，而且也为回收利用废旧聚苯乙烯泡沫制备高附加值产品、解决白色污染找到了一个切实可行的方法。

技术领域

本发明属于石墨烯片材料技术领域，具体涉及一种利用聚苯乙烯泡沫大规模制备石墨烯片的方法。

背景技术

石墨烯是相邻碳原子通过sp²杂化C-C键形成的二维、单原子厚的蜂窝状晶格的碳原子单层结构（IUPAC, 1995）。石墨烯特殊的电子、晶格成键结构使其具有零带隙半导体、高的载流子浓度（电子或空穴，10¹³ cm^-2）、高的电子迁移率（1.5 × 10⁴ cm² V^-1 s^-1）、半整数量子霍尔效应(QHE) 、高的热导率、低光吸收率（约为2.3 %）、非线性光学效应、高的杨氏模量（1060 GPa）和断裂强度（42 N m^-1，远高于钢）。此外，石墨烯对所有原子具有很好的阻隔作用；通过氧化或氟化等手段可实现对石墨烯材料功能的调控。因此，石墨烯优异的性能使其在超级电容器、锂离子电池电极材料、抗腐蚀油漆、海水淡化、皮革涂层、生物医学应用、合金、散热膜、传感器、加热器件等诸多领域具有重要的应用（Yanwu Zhu, et al. National Science Review 2017, DOI: 10.1093/nsr/nwx055）。

石墨烯的大规模制备是实现其在诸多领域应用的前提条件。目前，石墨烯大规模制备的方法主要有：石墨的直接液相剥离法、石墨的氧化-剥离-还原法、化学气相沉积法（CVD）。石墨的直接液相剥离法得到的石墨烯产品每年的产量为几百到几千吨悬浮液或浆料，但这种方法得到的产品中存在分散溶剂或添加剂，直接限制了石墨烯的应用领域和方向；石墨烯的氧化-剥离-还原法得到的石墨烯产品每年的产量约为100吨，但该方法制备过程所用的插层用强氧化剂（如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾）存在重大的安全隐患与环境污染；化学气相沉积法（CVD）以铜箔为基底生长石墨烯膜每年的产量为10⁵ - 10⁶ m²，制备过程需刻蚀去掉铜箔、转移石墨烯到目标基底，具有昂贵的成本（Yanwu Zhu, et al. National Science Review 2017, DOI: 10.1093/nsr/nwx055）。此外，通过浓硫酸插层、电化学氧化制备石墨烯的两步法也进行了探索（Jianyun Cao, et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139(48): 17446-17456）。因此，亟待寻求一种生产工艺简单、成本低、安全性强的石墨烯制备方法。

发泡聚苯乙烯（EPS）至今已形成了庞大的塑料工业体系。全世界的发泡聚苯乙烯年产值约为1200万吨，其中中国每年约产180万吨。然而，只有欧洲部分国家及日本的废旧发泡聚苯乙烯回收再利用率可达70 %以上，而其余大多数国家仅仅为10 % - 30 %。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种利用聚苯乙烯泡沫大规模制备石墨烯片的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种利用聚苯乙烯泡沫大规模制备石墨烯片的方法，步骤如下：