專利名稱：一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳結(jié)構(gòu)材料的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)材料，因其高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高導(dǎo)電性及高比表面積等優(yōu)點(diǎn)受到了研究者的廣泛重視。目前制備石墨烯的方法主要有機(jī)械剝離法、溶劑剝離法、晶體外延生長法、化學(xué)氣相沉積法及氧化石墨熱膨脹法等。機(jī)械剝離法和溶劑剝離法產(chǎn)生的石墨烯片的效率很低；晶體外延生長法和化學(xué)氣相沉積法適用于大面積石墨烯薄膜的制備，無法滿足納米復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)π〕叽缡┎牧系囊?，且該方法的操作?fù)雜、成本較高；氧化石墨熱膨脹雖然能夠以較低的成本制備出大量的石墨烯，但石墨烯的電子結(jié)構(gòu)以及晶體的完整性均受到強(qiáng)氧化劑的破壞，造成較大的缺陷。
目前，有研究發(fā)現(xiàn)金屬鎂在干冰中燃燒能夠較高產(chǎn)量的制備石墨烯，為石墨烯的制備提供了新的途徑。但該方法也存著以下不足首先，干冰在常壓下于零下78. 5°C的溫度下穩(wěn)定存在，常溫下易受熱升華，給運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用都帶來很多不便；其次，鎂在干冰中燃燒時(shí)，反應(yīng)放熱，會(huì)導(dǎo)致大量干冰升華，若反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，則造成反應(yīng)物干冰的大量浪費(fèi)，若反應(yīng)在密閉容器中進(jìn)行，則在反應(yīng)過程中容器內(nèi)壓強(qiáng)迅速增大，需設(shè)計(jì)高壓反應(yīng)設(shè)備，增加成本。此外，2011年國外開發(fā)出以蔗糖為碳源，高溫條件下，在氫氣和氬氣氣氛中以粘土表面為支撐，制備石墨烯。該方法最大優(yōu)點(diǎn)為原料成本低，但該制備方法需要在高溫條件進(jìn)行，能源消耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有石墨烯的制備方法無法同時(shí)具備原料易保存運(yùn)輸、節(jié)約能源、操作方法簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)的問題，本發(fā)明提供了一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法。本發(fā)明的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法按以下步驟進(jìn)行一、按質(zhì)量份數(shù)稱取O. 65 1份的鎂粉和I份的糖粉；其中，所述鎂粉的純度為95 99. 99 %，平均顆粒直徑為O. 03 3mm;糖粉的純度為95 99. 9%，平均顆粒直徑O. OOf 3mm ;糖為單糖、雙糖、低聚糖或多糖；二、將步驟一稱取的鎂粉和糖粉置入混粉機(jī)中，在空氣氣氛中進(jìn)行干法混粉，混粉時(shí)間為O. 5 5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進(jìn)行高壓燃燒合成反應(yīng)或常壓燃燒合成反應(yīng)；四、將經(jīng)步驟四處理的混合粉體放入質(zhì)量百分含量為109Γ37%的鹽酸中進(jìn)行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小于5后，用蒸餾水沖洗，至沖洗液為中性，在常壓下或真空中進(jìn)行干燥，得到石墨烯粉體。本發(fā)明利用金屬鎂和糖作為反應(yīng)物，利用燃燒合成反應(yīng)制備石墨烯。以糖作為碳源，糖常溫下穩(wěn)定，易于保存和運(yùn)輸；反應(yīng)產(chǎn)物為固體，對(duì)反應(yīng)體系的氣壓影響小，對(duì)設(shè)備耐壓要求低，安全系數(shù)高，反應(yīng)迅速且易于操控；無需外界輸入大量能量，節(jié)約了能源成本，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；本發(fā)明制備的石墨烯粉體為6層及以下的少層石墨烯；拉曼光譜的G峰(1579CHT1)和2D峰(2686CHT1)的出現(xiàn)表明本發(fā)明制備的石墨烯粉體具有典型的石墨結(jié)構(gòu)特征；2D峰(2686CHT1)峰型對(duì)稱并且峰位相對(duì)于石墨的2D峰位(27301740011-1)明顯向低波段移動(dòng)，表現(xiàn)出典型的少層石墨烯特征。本發(fā)明適用于石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)。


圖I為試驗(yàn)一得到的石墨烯粉體的拉曼光譜
圖2為試驗(yàn)一得到的石墨烯粉體的透射電鏡照片。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、按質(zhì)量份數(shù)稱取O. 65 1份的鎂粉和I份的糖粉；其中，所述鎂粉的純度為95 99. 99 %，平均顆粒直徑為O. 03 3mm;糖粉的純度為95 99. 9%，平均顆粒直徑O. OOf 3mm ;糖為單糖、雙糖、低聚糖或多糖；二、將步驟一稱取的鎂粉和糖粉置入混粉機(jī)中，在空氣氣氛中進(jìn)行干法混粉，混粉時(shí)間為O. 5 5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進(jìn)行高壓燃燒合成反應(yīng)或常壓燃燒合成反應(yīng)；四、將經(jīng)步驟四處理的混合粉體放入質(zhì)量百分含量為109Γ37%的鹽酸中進(jìn)行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小于5后，用蒸餾水沖洗，至沖洗液為中性，在常壓下或真空中進(jìn)行干燥，得到石墨烯粉體。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中按質(zhì)量份數(shù)稱取O. 74、. 9的鎂粉和和I份的糖粉，其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟一中鎂粉的純度為99. 5%，平均顆粒直徑為O. 1_，其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的是步驟一中糖粉的純度為99%，平均顆粒直徑為O. 05、. 5mm，其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四不同的是步驟三中高壓燃燒合成反應(yīng)按以下步驟進(jìn)行操作a、將混合粉體置于耐壓能力f5MPa的通用的燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)，然后在混合粉體上方加入點(diǎn)火劑；其中，所述點(diǎn)火劑為鎂熱反應(yīng)的Fe304+Mg或Mn02+Mg或鋁熱反應(yīng)的Fe3O4+Al 或 Cr203+Al ；b、將燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)部抽真空,然后向燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)通入O. IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應(yīng)裝置；
C、采用局部電熱點(diǎn)火或局部高頻感應(yīng)加熱的方式，點(diǎn)燃步驟a中的點(diǎn)火劑，使混合粉體進(jìn)行燃燒反應(yīng)；其中，局部電熱點(diǎn)火是在螺旋狀鎢絲線圈上通以1(Γ30Α直流電流，加熱局部反應(yīng)物料引發(fā)燃燒合成反應(yīng)；局部高頻感應(yīng)加熱是采用高頻感應(yīng)線圈，加熱局部反應(yīng)物料弓I發(fā)燃燒合成反應(yīng)，其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五不同的是步驟三中常壓燃燒合成反應(yīng)按以下步驟進(jìn)行操作 a、將混合粉體置于坩堝中，并在混合粉體上方加入點(diǎn)火劑；其中，點(diǎn)火劑為鎂熱反應(yīng)的 Fe304+Mg 或 Mn02+Mg 或鋁熱反應(yīng)的 Fe304+Al 或 Cr203+Al ；b、然后將坩堝放入上開口容器的底部；其中，所述上開口容器的容積為坩堝體積的5飛00倍，容器高度為坩堝高度的2 50倍；C、在上開口容器底部通入二氧化碳，使坩堝和上開口容器內(nèi)部充滿二氧化碳；d、采用局部電熱點(diǎn)火或局部高頻感應(yīng)加熱的方式，點(diǎn)燃點(diǎn)火劑，使混合粉體進(jìn)行燃燒反應(yīng)，在反應(yīng)過程中保持通入二氧化碳，二氧化碳通入速度為f 1000L/min ;其中，局部電熱點(diǎn)火是在螺旋狀鎢絲線圈中通以1(Γ30Α直流電流，加熱局部反應(yīng)物料引發(fā)燃燒合成反應(yīng)；局部高頻感應(yīng)加熱是采用高頻感應(yīng)線圈，加熱局部反應(yīng)物料引發(fā)燃燒合成反應(yīng)，其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。通過以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果試驗(yàn)一本試驗(yàn)的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、按質(zhì)量份數(shù)稱取O. 77份的鎂粉和I份的蔗糖粉；其中，所述鎂粉的純度為99. 5%，平均顆粒直徑為O. Imm ;蔗糖粉的純度為99%，平均顆粒直徑O. 05mm ；二、將步驟一稱取的鎂粉和蔗糖粉置入混粉機(jī)中，在空氣氣氛中進(jìn)行干法混粉，混粉時(shí)間為I. 5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進(jìn)行高壓燃燒合成反應(yīng)；四、將經(jīng)步驟三處理的混合粉體放入質(zhì)量百分含量為20%的鹽酸中進(jìn)行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小于5后，用蒸餾水沖洗，至沖洗液為中性，在真空中進(jìn)行干燥，得到石墨稀粉體。高壓燃燒合成反應(yīng)按以下步驟進(jìn)行操作a、將步驟二得到的混合粉體置于耐壓能力廣5MPa的通用的燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)，然后在混合粉體上方加入點(diǎn)火劑Fe304+Mg ；b、將燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)部抽真空,然后向燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)通入O. IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應(yīng)裝置；C、采用局部電熱點(diǎn)火方式，在螺旋狀鎢絲線圈中通以20A直流電流，點(diǎn)燃點(diǎn)火劑Fe304+Mg,使混合粉體進(jìn)行燃燒合成反應(yīng)。試驗(yàn)一得到的石墨烯粉體厚度主要集中在O. 33^3. 35nm，層數(shù)為I飛層。其拉曼光譜圖如圖I所示，拉曼光譜的G峰(1579CHT1)和2D峰(2686CHT1)的出現(xiàn)表明本發(fā)明制備的石墨烯粉體具有典型的石墨結(jié)構(gòu)特征；2D峰(2686CHT1)峰型對(duì)稱并且峰位相對(duì)于石墨的2D峰位(27301740(3!^1)明顯向低波段移動(dòng)，表現(xiàn)出典型的少層石墨烯特征。其透射電鏡照片如圖2所示，其中，A區(qū)域?yàn)镮層石墨烯的邊緣圖像，B區(qū)域?yàn)?層石墨烯邊緣的圖像，C區(qū)域?yàn)?層石墨烯的邊緣圖像，圖中可見多個(gè)少于6層的石墨烯的邊緣圖像，說明試驗(yàn)一得到的石墨烯主要為6層以下的少層石墨烯。試驗(yàn)二 本試驗(yàn)的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的—、按質(zhì)量份數(shù)稱取O. 9份的鎂粉和I份的葡萄糖粉；其中，所述鎂粉的純度為99. 5%，平均顆粒直徑為O. Imm ;葡萄糖粉的純度為99%，平均顆粒直徑O. 08mm ；二、將步驟一稱取的鎂粉和葡萄糖粉置入混粉機(jī)中，在空氣氣氛中進(jìn)行干法混粉，混粉時(shí)間為2h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進(jìn)行高壓燃燒合成反應(yīng)；四、將經(jīng)步驟三處理的混合粉體放入質(zhì)量百分含量為15%的鹽酸中進(jìn)行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小于5后，用蒸餾水沖洗，至沖洗液為中性，在真空中進(jìn)行干燥，得到石 墨稀粉體。高壓燃燒合成反應(yīng)按以下步驟進(jìn)行操作a、將步驟二得到的混合粉體置于耐壓能力廣5MPa的通用的燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)，然后在混合粉體上方加入點(diǎn)火劑Mn02+Mg ；b、將燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)部抽真空,然后向燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)通入O. IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應(yīng)裝置；C、采用局部電熱點(diǎn)火方式，在螺旋狀鎢絲線圈中通以20A直流電流，點(diǎn)燃點(diǎn)火劑Mn02+Mg,使混合粉體進(jìn)行燃燒合成反應(yīng)。試驗(yàn)二得到的石墨烯粉體厚度主要集中在O. 33 3. 35nm，層數(shù)為I 6層。試驗(yàn)三本試驗(yàn)的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、按質(zhì)量份數(shù)稱取O. 74份的鎂粉和I份的淀粉；其中，所述鎂粉的純度為99. 5%，平均顆粒直徑為O. Imm ;淀粉的純度為99%，平均顆粒直徑O. 5mm ；二、將步驟一稱取的鎂粉和淀粉置入混粉機(jī)中，在空氣氣氛中進(jìn)行干法混粉，混粉時(shí)間為5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進(jìn)行常壓燃燒合成反應(yīng)；四、將經(jīng)步驟三處理的混合粉體放入質(zhì)量百分含量為20%的鹽酸中進(jìn)行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小于5后，用蒸餾水沖洗，至沖洗液為中性，在真空中進(jìn)行干燥，得到石墨稀粉體。常壓燃燒合成反應(yīng)按以下步驟進(jìn)行操作a、將步驟二得到的混合粉體置于IL的坩堝中，并在混合粉體上方加入點(diǎn)火劑Fe304+Mg ；b、然后將坩堝放入到20L的不銹鋼桶中；C、在不銹鋼桶底部通入二氧化碳，使坩堝和不銹鋼桶內(nèi)部充滿二氧化碳；d、采用局部電熱點(diǎn)火的方式，在螺旋狀鎢絲線圈中通以20A直流電流，點(diǎn)燃點(diǎn)火劑Fe304+Mg，使混合粉體進(jìn)行燃燒合成反應(yīng)，在反應(yīng)過程中保持通入二氧化碳，二氧化碳的通入速度為20L/min。試驗(yàn)三得到的石墨烯粉體厚度主要集中在O. 33^3. 35nm，層數(shù)為I飛層。
權(quán)利要求
1.一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，其特征在于燃燒合成制備石墨烯粉體的方法按以下步驟進(jìn)行 一、按質(zhì)量份數(shù)稱取0.65^1份的鎂粉和I份的糖粉；其中，所述鎂粉的純度為95 99. 99 %，平均顆粒直徑為0. 03 3mm;糖粉的純度為95 99. 9%，平均顆粒直徑0.OOf 3mm ;糖為單糖、雙糖、低聚糖或多糖； 二、將步驟一稱取的鎂粉和糖粉置入混粉機(jī)中，在空氣氣氛中進(jìn)行干法混粉，混粉時(shí)間為0. 5 5h，得到混合粉體； 三、將步驟二得到的混合粉體進(jìn)行高壓燃燒合成反應(yīng)或常壓燃燒合成反應(yīng)； 四、將經(jīng)步驟四處理的混合粉體放入質(zhì)量百分含量為109^37%的鹽酸中進(jìn)行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小于5后，用蒸餾水沖洗，至沖洗液為中性，在常壓下或真空中進(jìn)行干燥，得到石墨烯粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，其特征在于步驟一中按質(zhì)量份數(shù)稱取0. 74、. 9的鎂粉和和I份的糖粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，其特征在于步驟一中鎂粉的純度為99. 5%，平均顆粒直徑為0. 1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，其特征在于步驟一中糖粉的純度為99%，平均顆粒直徑為0. 05、. 5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，其特征在于步驟三中高壓燃燒合成反應(yīng)按以下步驟進(jìn)行操作 a、將混合粉體置于耐壓能力f5MPa的通用的燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)，然后在混合粉體上方加入點(diǎn)火劑；其中，所述點(diǎn)火劑為鎂熱反應(yīng)的Fe304+Mg或Mn02+Mg或鋁熱反應(yīng)的Fe3O4+Al 或 Cr203+Al ； b、將燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)部抽真空，然后向燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)通入0.IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應(yīng)裝置； C、采用局部電熱點(diǎn)火或局部高頻感應(yīng)加熱的方式，點(diǎn)燃步驟a中的點(diǎn)火劑，使混合粉體進(jìn)行燃燒反應(yīng)；其中，局部電熱點(diǎn)火是在螺旋狀鎢絲線圈上通以IOlOA直流電流，加熱局部反應(yīng)物料引發(fā)燃燒合成反應(yīng)；局部高頻感應(yīng)加熱是采用高頻感應(yīng)線圈，加熱局部反應(yīng)物料引發(fā)燃燒合成反應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，其特征在于步驟三中常壓燃燒合成反應(yīng)按以下步驟進(jìn)行操作 a、將混合粉體置于坩堝中，并在混合粉體上方加入點(diǎn)火劑；其中，點(diǎn)火劑為鎂熱反應(yīng)的Fe304+Mg 或 Mn02+Mg 或鋁熱反應(yīng)的 Fe304+Al 或 Cr203+Al ； b、然后將坩堝放入上開口容器的底部；其中，所述上開口容器的容積為坩堝體積的5 500倍，容器高度為坩堝高度的2 50倍； C、在上開口容器底部通入二氧化碳，使坩堝和上開口容器內(nèi)部充滿二氧化碳； d、采用局部電熱點(diǎn)火或局部高頻感應(yīng)加熱的方式，點(diǎn)燃點(diǎn)火劑，使混合粉體進(jìn)行燃燒反應(yīng)，在反應(yīng)過程中保持通入二氧化碳，二氧化碳通入速度為f 1000L/min ;其中，局部電熱點(diǎn)火是在螺旋狀鎢絲線圈中通以IOlOA直流電流，加熱局部反應(yīng)物料引發(fā)燃燒合成反應(yīng)；局部高頻感應(yīng)加熱是采用高頻感應(yīng)線圈，加熱局部反應(yīng)物料弓I發(fā)燃燒合成反應(yīng)。
全文摘要
一種燃燒合成制備石墨烯粉體的方法，它涉及碳結(jié)構(gòu)材料的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有石墨烯的制備方法無法同時(shí)具備原料易保存運(yùn)輸、節(jié)約能源、操作方法簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)的問題。制備方法通過干法混粉，制備鎂粉和糖粉的混合粉體，將該混合粉體進(jìn)行燃燒合成反應(yīng)，得到石墨烯粉體。本發(fā)明的石墨烯粉體的制備方法同時(shí)具備原料易保存運(yùn)輸、節(jié)約能源、操作方法簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，通過本發(fā)明的方法制備出的石墨烯粉體厚度較小。本發(fā)明適用于石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102826546SQ20121036970
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者王黎東, 費(fèi)維棟 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)