[发明专利]一种以重芳烃为原料制备石墨烯的方法

说明书

本发明提供一种以重芳烃为原料制备石墨烯的方法。本发明包括以下步骤：1）以重芳烃为碳源，硫酸为碳化剂，将碳源和碳化剂混合，加热到150‑220℃反应4~24小时，冷却至室温后过滤，所得滤饼洗涤后干燥，获得石墨烯前驱体；2）取步骤1）所得石墨烯前驱体石墨烯前驱体与填充剂混合，并研磨均匀，得到混合物粉末；所述混合物粉末在惰性气体保护下，经高温剥离减薄处理后，得到石墨烯。本发明以带苯环的化工初产品芳烃为碳源，采用溶剂热法一步将液态的芳烃原料转化为固态碳材料，无需催化剂；所制备的石墨烯片层薄、结晶性好。

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种以芳烃为原料制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种二维碳纳米材料，由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格结构。自2004年英国学者通过简单机械剥离法制备出单层石墨烯以来，由于其独特的化学键合方式和具有π-π共轭的碳层，使其具有优异的热学、电学、机械性能、光学和独特的结构等，石墨烯可以作为一种变革性材料能够广泛用于能源，材料，电子学和生物医学等许多领域。

目前的制备石墨烯方法主要分为石墨法和非石墨法制备石墨烯。石墨法首先通过强氧化剂氧化天然石墨制备氧化石墨烯，再通过还原手段将氧化石墨烯还原得到还原石墨烯，但是其制备过程复杂，成本过高，并且在氧化过程中对石墨烯片层结构的破坏导致其性能下降，以及在制备过程中使用腐蚀性强酸带来的较为严重的环境问题，都阻碍其实现大规模制备。非石墨法，典型的有CVD法，其制备石墨烯虽然形态较好，但其设备复杂，合成成本高昂。整体而言，石墨烯行业领域发展较快，石墨烯制造成本居高不下严重制约了其下游应用场景开发。另一方面，我国石化产业规模较大，传统工业特征也十分明显，诸多地区油品较低，副产物如苯系，萘系，苊系较多且价格便宜。因此，如何高效利用石化副产品开发出高附加值石墨烯产品，拓宽石墨烯原材料选择，降低石墨烯成本是加速石墨烯行业发展的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种重芳烃为原料制备石墨烯的方法，以带苯环的化工初产品芳烃为碳源，采用溶剂热法一步将液态的芳烃原料转化为固态碳材料，无需催化剂；所制备的石墨烯片层薄、结晶性好。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种以重芳烃为原料制备石墨烯的方法，包括如下步骤：

1)以重芳烃为碳源，硫酸为碳化剂，将碳源和碳化剂混合，加热到150-220℃反应4～24小时，冷却至室温后过滤，所得滤饼洗涤后干燥，获得石墨烯前驱体(即类石墨烯固体)；

2)取步骤1)所得石墨烯前驱体与填充剂混合，并研磨均匀，所得混合物粉末在惰性气体保护下，经高温剥离减薄处理后，得到石墨烯；其中，高温剥离减薄处理的温度在600-1200℃之间，时间为2-20小时。

按上述方案，所述重芳烃指碳原子数在九或十以上的含苯环的烃，可以选自单环芳烃、双环芳烃等重芳烃中一种或多种的混合。进一步地，所述单环芳烃选自苯类(如烷基苯)、四氢萘、茚满、茚类(如茚、二氢茚等)等中的一种或几种；所述双环芳烃选自萘或者萘类(如甲基萘等)、苊类(如苊等)、苊烯类(如苊烯等)等中的一种或几种。

按上述方案，所述硫酸的浓度为70-98％。

按上述方案，所述重芳烃和硫酸的体积比小于1:0.5。优选地，所述重芳烃和硫酸体积比在1:0.5～1:2之间。

按上述方案，所述填充剂为熔点在600-1000℃的无机盐类。进一步地，所述填充剂选自MgCl₂、KCl、K₂CO₃等中的一种；或者所述填充剂为混合盐，如NaCl/KCl、KCl/LiCl、NaF/CaF₂/MgCl₂、NaCl/KCl/ZnCl₂等。