[发明专利]一种炭黑基石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种炭黑基石墨烯及其制备方法和应用。所述炭黑基石墨烯的制备方法，包括如下步骤：S1、对炭黑进行催化石墨化处理，得石墨化炭黑；S2、向石墨化炭黑中加入尿素，研磨使石墨化炭黑剥离并与尿素形成插层复合物；所述石墨化炭黑与尿素的质量比为（3‑10）:1；S3、将插层复合物在300‑500℃下进行煅烧，形成炭黑基石墨烯。本申请的制备方法操作简单，能降低石墨烯的制备成本，有利于石墨烯的大规模生产。制备的炭黑基石墨烯在聚乙烯中分散性好，补强性高，并且炭黑基石墨烯在较低的用量下能大幅降低高分子材料的电阻。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，尤其是涉及一种炭黑基石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有大比表面积、优异的导电性和高柔韧性等优点，被广泛应用于导电高分子材料、能量存储与转换、电子器件、传感器、生物医学等领域。

目前制备石墨烯的原料主要是天然石墨、含碳气体(CH₄、C₂H₄等)或含碳有机低聚物。但天然石墨杂质含量高、成分复杂，需要额外的提纯步骤，且提纯步骤复杂，会增大石墨烯的制备成本，不利于石墨烯的大规模生产。含碳气体或含碳有机低聚物用来制备石墨烯的方法多采用气相沉积法，但存在石墨烯产率低、原料浪费等问题，也会增大石墨烯的制备成本，从而有利于石墨烯的大规模生产。

炭黑具有碳含量高、纯度高、杂质含量低等优点，目前还未见以炭黑为原材料制备石墨烯的报道，因此，本申请提供一种以炭黑为原材料制备炭黑基石墨烯的方法。

发明内容

为了降低石墨烯的制备成本，有利于石墨烯的大规模生产，本申请提供一种炭黑基石墨烯及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供一种炭黑基石墨烯的制备方法，采用如下技术方案实现：

一种炭黑基石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

S1、对炭黑进行催化石墨化处理，得石墨化炭黑；

S2、向石墨化炭黑中加入尿素，研磨使石墨化炭黑剥离并与尿素形成插层复合物；所述石墨化炭黑与尿素的质量比为(3-10):1；

S3、将插层复合物在300-500℃下进行煅烧，形成炭黑基石墨烯。

通过采用上述技术方案，炭黑经催化石墨化处理后炭黑的碳含量增高，在机械研磨辅助作用下，尿素分子易于进入石墨化炭黑的片层形成石墨化炭黑堆垛体，从而使石墨化炭黑部分剥离，减小了石墨化炭黑的粒度。

控制石墨化炭黑与尿素的质量比为(3-10):1，尿素主要存在石墨化炭黑的层间，可以起到有效插层；尿素高温受热时会急剧分解产生大量的氨气和二氧化碳，尿素分解使经研磨处理的石墨化的炭黑发生进一步膨胀而被进一步剥离形成超薄的寡层石墨烯。

插层复合物是尿素插层石墨化炭黑复合物，控制插层复合物的煅烧温度为300-500℃，可以使尿素彻底分解，提高石墨化炭黑的剥离效果和体积膨胀率，同时可以降低煅烧过程中石墨化炭黑的烧失量。

本申请提供的炭黑基石墨烯的制备方法，操作简单，制备的炭黑基石墨烯的产率高，基本无原料浪费的问题；以炭黑为原料，炭黑不仅材料来源广，且具有碳含量高、纯度高、杂质含量低等优点，无需提纯步骤，能降低石墨烯的制备成本，有利于石墨烯的大规模生产；对炭黑进行催化石墨化处理、经研磨插层和热致膨胀制备炭黑基石墨烯材料，同时炭黑具有纳米微晶结构，制备的炭黑基石墨烯材料片层薄，经柔性卷曲形成薄纱状不规则结构。炭黑基石墨烯在聚乙烯中分散性好，补强性高，并且炭黑基石墨烯在较低的用量下能大幅降低高分子材料的电阻。

优选的，所述石墨化炭黑与尿素的质量比为3.33:1。