專利名稱：一種納米多層石墨烯乳液的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多層石墨烯材料的制備方法。
背景技術：
石墨烯作為二維碳單質(zhì)材料，具有許多優(yōu)異的物理化學性質(zhì)。石墨烯片的邊緣不飽和原子或官能團決定石墨烯的化學活性，石墨烯片越小，其邊緣效應越明顯。目前，石墨烯的制備主要有化學還原法、機械剝離法以及化學氣相沉積法等，化學還原法涉及的工藝復雜，需要對石墨進行強氧化處理，隨后再還原成石墨烯，而且制備過程所用的還原劑存在毒性。而機械剝離法制備石墨烯的效率低，產(chǎn)量有限?；瘜W氣相沉積法雖然制備的石墨烯片品質(zhì)極佳，但設備投入巨大，反應條件苛刻，不利于工業(yè)化。同時，以上三種制備出的石墨烯無法很好的分散在溶液中，會為進一步的復合應用帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有石墨烯制備方法復雜，得到的石墨烯邊緣效應不明顯的問題，而提供一種納米多層石墨烯乳液的制備方法。本發(fā)明納米多層石墨烯乳液的制備方法按下列步驟實現(xiàn)一、在冰浴 條件下，以400 4000轉(zhuǎn)每分鐘的速度球磨粉碎可膨脹石墨I 10小時，干燥后得到納米粉末；二、納米粉末加熱至500 1000°C，保溫5 100秒，得到蠕蟲狀膨脹石墨；三、將步驟二得到的蠕蟲狀膨脹石墨加入到液態(tài)醇中，以40 50Hz的超聲波處理0. 5 10小時后得到分散液；四、過濾分散液，回收液態(tài)醇，將過濾后得到的固相物放入質(zhì)量分數(shù)為1% 20%的酸中浸泡10 20小時，得到懸浮液；五、用乙醇和去離子水反復過濾步驟四得到的懸浮液3 6次，經(jīng)過濾后將固相物分散在去離子水或純水中超聲處理I 3小時，得到納米多層石墨烯乳液；其中步驟一所述的可膨脹石墨為鱗片可膨脹石墨、球形可膨脹石墨中的一種或二種的混合物。本發(fā)明的納米多層石墨烯乳液的制備過程是將可膨脹石墨高速球磨粉碎成納米級可膨脹石墨，然后再經(jīng)過高溫處理，使可膨脹石墨的體積增長幾十倍甚至數(shù)百倍，并由片層狀可膨脹石墨轉(zhuǎn)為蠕蟲狀膨脹石墨，化學性質(zhì)基本不變，導電性能優(yōu)異。蠕蟲狀膨脹石墨具有大量的多層結(jié)構，此為多層石墨烯的超聲剝離提供了前提條件。而將蠕蟲狀膨脹石墨加入到液態(tài)醇后使用超聲波處理，此過程可以使蠕蟲狀膨脹石墨內(nèi)部大量的多層石墨烯在超聲作用下被剝離出來，分散到液態(tài)醇中。將納米多層石墨烯負載二氧化錳制備超級電容器后，電化學容量增加。通過本發(fā)明的制備方法得到的納米多層石墨烯乳液化學活性穩(wěn)定，乳液中的多層石墨烯厚度僅為5納米，層數(shù)為2 10層，多層石墨烯片的大小均在800納米左右，通過透射電鏡圖可以看出其具有大量的邊緣，在其邊緣會形成大量不飽和原子及官能團，邊緣效應明顯。本發(fā)明的納米多層石墨烯乳液是將納米多層石墨烯分散在水系體系中，安全性能較好，具有較高的固含量，經(jīng)過簡單超聲就能分散均勻，制備方法簡單易行，原料可膨脹石墨為常用工業(yè)品，來源廣泛，價格低廉。本發(fā)明主要應用于制備復合電池材料、陶瓷材料和催化劑等復合材料。


圖1是實施例一得到納米多層石墨烯乳液中的多層石墨烯片的透射電鏡圖；圖2是實施例一得到納米多層石墨烯乳液中的多層石墨烯片的邊緣透射電鏡圖；圖3是實施例一得到納米多層石墨烯乳液中的多層石墨烯片的邊緣透射電鏡衍射圖；圖4是實施例一得到的二氧化錳與多層石墨烯復合電極和二氧化錳電極的電化學容量對比圖；其中■表示二氧化錳與多層石墨烯復合電極的電化學容量， 表示二氧化猛電極的電化學容量。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式納米多層石墨烯乳液的制備方法按下列步驟實施一、在冰浴條件下，以400 4000轉(zhuǎn)每分鐘的速度球磨粉碎可膨脹石墨I 10小時，干燥后得到納米粉末；二、納米粉末加熱至500 1000°C，保溫5 100秒，得到蠕蟲狀膨脹石墨；三、將步驟二得到的蠕蟲狀膨脹石墨加入到液態(tài)醇中，以40 50Hz的超聲波處理0. 5 10小時后得到分 散液；四、過濾分散液，回收液態(tài)醇，將過濾后得到的固相物放入質(zhì)量分數(shù)為1% 20%的酸中浸泡10 20小時，得到懸浮液；五、用乙醇和去離子水反復過濾步驟四得到的懸浮液3 6次，經(jīng)過濾后將固相物分散在去離子水或純水中超聲處理I 3小時，得到納米多層石墨烯乳液；其中步驟一所述的可膨脹石墨為鱗片可膨脹石墨、球形可膨脹石墨中的一種或二種的混合物。本實施方式在冰浴條件下高速球磨可以保證原料在較低的溫度下粉碎，而球磨過程產(chǎn)生的過多熱量通過冷卻水帶走，進而避免了由于高速球磨放熱引起的可膨脹石墨的先膨脹現(xiàn)象。采用超聲波分散蠕蟲狀膨脹石墨，是利用超聲波作用于液態(tài)醇而在其內(nèi)部產(chǎn)生的高頻碰撞形成的強大沖擊波，對物料石墨形成的剪切力，使多層石墨烯被剝離，可以避免其發(fā)生團聚現(xiàn)象，再通過用乙醇和去離子水反復分散和過濾來洗去懸浮液中的酸。當制備納米多層石墨烯乳液所用的原料可膨脹石墨、酸和液態(tài)醇為混合物時，各組分的比例可以為任意比。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一以1000 2000轉(zhuǎn)每分鐘的速度球磨粉碎可膨脹石墨。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟一球磨過程的球料質(zhì)量比為(100 10) :1。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟二納米粉末加熱至800°C，保溫5 100秒。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟三以50Hz的超聲波處理0. 5 10小時后得到分散液。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三中的液態(tài)醇體積與蠕蟲狀膨脹石墨質(zhì)量比為1:0. 5 5(L kg)。其它步驟及參數(shù)與
具體實施例方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟三所述的液態(tài)醇為甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、丙三醇的一種或其中幾種的混合物。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟四所述的酸為硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸、草酸、醋酸的一種或其中幾種的混合物。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一至七之一相同。實施例一本實施例納米多層石墨烯乳液的制備方法按下列步驟實施一、在冰浴條件下，以1500轉(zhuǎn)每分鐘的速度球磨粉碎可膨脹石墨3小時，干燥后得到納米粉末； 二、在800°C的條件下高溫處理納米粉末40秒，得到蠕蟲狀膨脹石墨；三、將步驟二得到的蠕蟲狀膨脹石墨加入到液態(tài)醇中，以50Hz的超聲波處理2小時后得到分散液；四、過濾分散液，回收液態(tài)醇，將過濾后得到的固相物放入質(zhì)量分數(shù)為10%的硝酸中浸泡20小時，得到懸浮液；五、用乙醇和去離子水反復過濾步驟四得到的懸浮液4次，經(jīng)過濾后將固相物分散在去離子水中超聲處理2小時，得到納米多層石墨烯乳液；其中步驟一所述的可膨脹石墨為200目鱗片可膨脹石墨；步驟一球磨過程的球料質(zhì)量比為20:1 ；步驟三中的液態(tài)醇體積與蠕蟲狀膨脹石墨質(zhì)量比為l:1.5(L:kg)，液態(tài)醇為異丙醇。通過圖1可知本實施例得到納米多層石墨烯乳液中的多層石墨烯片的大小在微米級以下，達到納米級。通過圖2可知本實施例得到納米多層石墨烯乳液中的多層石墨烯片具有大量的邊緣，在其邊緣會形成大量不飽和原子及官能團，邊緣效應明顯。通過圖3可知本實施例得到納米多層石墨烯乳液中的多層石墨烯片具有的邊緣為單片層。以實施例一制備的納米多層石墨烯負載二氧化錳制備超級電容器復合電極，復合電極按下列步驟制備—、把納米多層石墨烯乳液加入去離子水，調(diào)至0. 5mg/ml,加入20ml異丙醇,再次超聲I小時，得到分散液；二、稱取1. 58g的高錳酸鉀，溶解在50ml的去離子水中，待完全溶解后倒入步驟一的分散液中，加熱到60°C反應3小時，過濾得二氧化錳與多層石墨烯復合物，用去離子水和乙醇反復洗滌3次，在80°C真空烘干10小時得多層石墨烯粉末；三、按照二氧化錳與多層石墨烯粉末，乙炔黑，聚四氟乙烯(PTFE)的質(zhì)量比為70:20:10和膏成漿料，把漿料涂敷在商業(yè)化泡沫鎳中，烘干，經(jīng)過卷壓機壓成250mm厚的薄片，得到二氧化錳與多層石墨烯復合電極。然后將二氧化錳與多層石墨烯復合電極作為研究電極，甘汞電極為參比電極，鉬片為輔助電極，進行循環(huán)伏安測試其電化學性能，電壓掃速速度分別為10毫伏每秒，20毫伏每秒，50毫伏每秒和100毫伏每秒，得到的二氧化錳與多層石墨烯復合電極和二氧化錳電極的電化學容量對 比圖如圖4所示，可知復合電極的電化學容量較高。
權利要求
1.一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于納米多層石墨烯乳液的制備方法是通過下列步驟實現(xiàn) 一、在冰浴條件下，以400 4000轉(zhuǎn)每分鐘的速度球磨粉碎可膨脹石墨I 10小時，干燥后得到納米粉末； 二、納米粉末加熱至500 1000°C，保溫5 100秒，得到蠕蟲狀膨脹石墨； 三、將步驟二得到的蠕蟲狀膨脹石墨加入到液態(tài)醇中，以40 50Hz的超聲波處理0. 5 10小時后得到分散液； 四、過濾分散液，回收液態(tài)醇，將過濾后得到的固相物放入質(zhì)量分數(shù)為1% 20%的酸中浸泡10 20小時,得到懸浮液； 五、用乙醇和去離子水反復過濾步驟四得到的懸浮液3 6次，經(jīng)過濾后將固相物分散在去離子水或純水中超聲處理I 3小時，得到納米多層石墨烯乳液； 其中步驟一所述的可膨脹石墨為鱗片可膨脹石墨、球形可膨脹石墨中的一種或二種的混合物。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于步驟一以1000 2000轉(zhuǎn)每分鐘的速度球磨粉碎可膨脹石墨。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于步驟一球磨過程的球料質(zhì)量比為(100 10) :1。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于步驟二納米粉末加熱至800°C。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于步驟三以50Hz的超聲波處理0. 5 10小時后得到分散液。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于步驟三中的液態(tài)醇體積與蠕蟲狀膨脹石墨質(zhì)量比為1:0. 5 5(L kg)。
7.根據(jù)權利要求1至6任一項所述的一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于液態(tài)醇為甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、丙三醇的一種或其中幾種的混合物。
8.根據(jù)權利要求1至6任一項所述的一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，其特征在于步驟四所述的酸為硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸、草酸、醋酸的一種或其中幾種的混合物。
全文摘要
一種納米多層石墨烯乳液的制備方法，它涉及一種多層石墨烯材料的制備方法。它要解決現(xiàn)有石墨烯制備方法復雜，得到的石墨烯邊緣效應不明顯的問題。制備方法一、在冰浴條件下球磨粉碎可膨脹石墨，得到納米粉末；二、高溫處理納米粉末，得到蠕蟲狀膨脹石墨；三、膨脹石墨加入到液態(tài)醇中超聲波處理；四、過濾后放入酸中浸泡；五、用乙醇和去離子水反復沖洗，過濾后分散在去離子水或純水中超聲處理，得到納米多層石墨烯乳液。本發(fā)明的制備方法簡單，石墨烯分散在水系體系中安全性能較好，乳液中的石墨烯片具有大量的邊緣。本發(fā)明主要應用于復合電池材料、陶瓷材料和催化劑的制備。
文檔編號C01B31/04GK103058181SQ201310029508
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權日2013年1月25日
發(fā)明者王殿龍, 劉鐵峰, 尤萬龍, 湯慎之 申請人:哈爾濱工業(yè)大學