本發(fā)明涉及一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的裝置及方法，屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，其就一直備受來自物理和材料領(lǐng)域研究者的普遍青睞。石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。盡管石墨烯只有一個(gè)碳原子層厚度，并且是已知材料中最薄的一種，然而卻非常牢固堅(jiān)硬。石墨烯也是目前已知導(dǎo)電性最出色的材料。此外，石墨烯還有許多優(yōu)異的性能：如較高的楊氏模量、熱導(dǎo)率、巨大的比表面積等等。由于石墨烯的特殊性能，它在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、傳感器、儲能等方面均有廣泛的應(yīng)用。因其具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，石墨烯已經(jīng)成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

但是，目前在本領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的石墨烯制備方法中，液相剝離法、氧化石墨還原法等化學(xué)方法對環(huán)境污染較大，并且生產(chǎn)成本高，且難以大規(guī)模制備得到高質(zhì)量、性能優(yōu)異的石墨烯。

因此，提供一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的裝置及方法已經(jīng)成為本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的裝置。

本發(fā)明的目的還在于提供一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法。

本發(fā)明的目的還在于提供由上述通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法制備得到的石墨烯。

為達(dá)到上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的裝置，其包括：氣瓶1、高壓泵2、進(jìn)氣閥3、反應(yīng)釜4、快速泄壓閥5及緩沖罐6；

其中，所述氣瓶1通過管路經(jīng)由高壓泵2與所述反應(yīng)釜4的入口相連，且高壓泵2與反應(yīng)釜4之間的管路上設(shè)置有進(jìn)氣閥3；

所述反應(yīng)釜4的出口通過管路與所述緩沖罐6的入口相連，且反應(yīng)釜4與緩沖罐6之間的管路上設(shè)置有快速泄壓閥5；

所述反應(yīng)釜4設(shè)置有用于測量釜內(nèi)氣體壓力的壓力表；且所述緩沖罐6的體積為反應(yīng)釜4體積的兩倍或兩倍以上。

根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選地，所述反應(yīng)釜4設(shè)置有攪拌槳。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法，其包括以下步驟：

步驟(1)、打開反應(yīng)釜，向反應(yīng)釜內(nèi)加入石墨，關(guān)閉反應(yīng)釜；

步驟(2)、向所述反應(yīng)釜中通入氣態(tài)插層介質(zhì)，并通過調(diào)節(jié)氣態(tài)插層介質(zhì)的進(jìn)氣量使反應(yīng)釜內(nèi)壓力控制在1-200atm，在該壓力條件下，將體系溫度升至室溫-500℃以進(jìn)行分子插層反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，再進(jìn)行快速泄壓以使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力的一半或一半以下，得到所述石墨烯。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，本發(fā)明對所用氣態(tài)插層介質(zhì)是否處于超臨界狀態(tài)不做具體要求，無論氣態(tài)插層介質(zhì)是否處于超臨界狀態(tài)均可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟(2)中所述分子插層反應(yīng)在攪拌條件下進(jìn)行。其中，本發(fā)明對攪拌的攪拌速率不做具體要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要合理調(diào)整攪拌的速率，只要保證可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的即可。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟(1)中所述石墨包括鱗片石墨、膨脹石墨及膨脹石墨粉中的一種。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟(2)中所述氣態(tài)插層介質(zhì)包括二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕饧八魵庵械囊环N。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，當(dāng)步驟(2)中所述氣態(tài)插層介質(zhì)為水蒸氣時(shí)，所述分子插層反應(yīng)的反應(yīng)溫度為100-500℃。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟(2)中所述分子插層反應(yīng)的時(shí)間為10min-48h。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟(2)中所述分子插層反應(yīng)的時(shí)間為2-48h。其中，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于2小時(shí)，所述分子插層反應(yīng)能達(dá)到飽和，此時(shí)石墨烯的產(chǎn)率較高。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，本發(fā)明對所用石墨及氣態(tài)插層介質(zhì)二者之間的用量比例不做具體要求，但是通常情況下所用石墨原料越多，所需氣態(tài)插層介質(zhì)也越多，在此基礎(chǔ)上本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要合理調(diào)整所用石墨及氣態(tài)插層介質(zhì)二者之間的用量比例，只要保證可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的即可。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，步驟(2)中所述“使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力的一半或一半以下”是指使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力，即分子插層反應(yīng)的反應(yīng)壓力(1-200atm)的一半或一半以下。其中，在本發(fā)明具體實(shí)施方式中，該快速泄壓是通過使反應(yīng)釜內(nèi)的全部氣體進(jìn)入特定體積的緩沖罐中以使得氣體體積迅速膨脹來實(shí)現(xiàn)泄壓的。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，步驟(2)中所述的“攪拌條件”由反應(yīng)釜設(shè)置的攪拌槳來實(shí)現(xiàn)。

再一方面，本發(fā)明還提供了由上述通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法制備得到的石墨烯；優(yōu)選地，所述石墨烯的導(dǎo)電率為10⁵-10⁸S/m，導(dǎo)熱系數(shù)為100-200W/m·K。

本發(fā)明所提供的通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法采用純物理的方法，以石墨和常見氣體為原料，在一定的溫度及壓力下將原料混合均勻，在攪拌條件下使得氣體分子進(jìn)入石墨片層；待插層基本達(dá)到飽和時(shí)，再通過快速泄壓以實(shí)現(xiàn)石墨烯的制備，此時(shí)氣體體積迅速膨脹使石墨片層間間距增大，范德華力減弱，石墨片層被剝離。由本發(fā)明所提供方法制備得到的石墨烯晶型完整，結(jié)構(gòu)缺陷少，未引入大量官能團(tuán)或雜原子，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能優(yōu)異，且生產(chǎn)過程中對環(huán)境無污染，因此具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所提供的通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中制備得到的石墨烯產(chǎn)品的TEM圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中制備得到的石墨烯產(chǎn)品的XRD譜圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所用的膨脹石墨粉原料的TEM圖。

主要附圖標(biāo)號說明

1、氣瓶；

2、高壓泵；

3、進(jìn)氣閥；

4、反應(yīng)釜；

5、快速泄壓閥；

6、緩沖罐；

7、出氣閥。

具體實(shí)施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)結(jié)合以下具體實(shí)施例及說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的裝置，其示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該裝置包括：氣瓶1、高壓泵2、進(jìn)氣閥3、反應(yīng)釜4、快速泄壓閥5及緩沖罐6；

其中，所述氣瓶1通過管路經(jīng)由高壓泵2與所述反應(yīng)釜4的入口相連，且高壓泵2與反應(yīng)釜4之間的管路上設(shè)置有進(jìn)氣閥3；

所述反應(yīng)釜4的出口通過管路與所述緩沖罐6的入口相連，且反應(yīng)釜4與緩沖罐6之間的管路上設(shè)置有快速泄壓閥5；

所述反應(yīng)釜4設(shè)置有攪拌槳；

所述緩沖罐6的氣體出口管路上設(shè)置有出氣閥7；

所述反應(yīng)釜4設(shè)置有用于測量釜內(nèi)氣體壓力的壓力表；且所述緩沖罐6的體積為反應(yīng)釜4體積的兩倍或兩倍以上。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法，其是采用實(shí)施例1所提供的裝置實(shí)現(xiàn)的，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、打開反應(yīng)釜，向反應(yīng)釜內(nèi)加入1g石墨(膨脹石墨粉)，關(guān)閉反應(yīng)釜；

步驟(2)、向所述反應(yīng)釜中通入氣態(tài)插層介質(zhì)(二氧化碳)，并通過調(diào)節(jié)氣態(tài)插層介質(zhì)的進(jìn)氣量使反應(yīng)釜內(nèi)壓力控制在1atm，在該壓力及攪拌的條件下，將體系溫度升至200℃以進(jìn)行分子插層反應(yīng)，反應(yīng)0.5h后，再進(jìn)行快速泄壓以使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力的一半或一半以下(通過使反應(yīng)釜內(nèi)的全部氣體進(jìn)入特定體積的緩沖罐來實(shí)現(xiàn)泄壓的)，然后放出氣體至常壓，打開緩沖罐，取出反應(yīng)產(chǎn)物，得到0.9g石墨烯，計(jì)算得到本實(shí)施例中石墨烯的產(chǎn)率為90％。

分別對實(shí)施例2中制備得到的石墨烯樣品進(jìn)行掃面電鏡(TEM)及XRD表征，其中，TEM圖及XRD譜圖分別如圖2、3所示，從圖2中可以看出，實(shí)施例2中的原料膨脹石墨粉經(jīng)剝離過后，所得到的石墨烯的層數(shù)為5層，相比于原料層數(shù)(圖4為膨脹石墨粉原料的TEM圖，從圖4中可以看出，膨脹石墨粉原料的層數(shù)為30層左右)明顯減少，說明剝離效果很好；

從圖3中可以看出，實(shí)施例2中的原料膨脹石墨粉經(jīng)剝離后得到的石墨烯擁有002和004兩個(gè)衍射峰，并且002衍射峰有很大的峰面積，說明剝離后得到的石墨烯晶型結(jié)構(gòu)保持完整，缺陷很小。

經(jīng)測試，實(shí)施例2制備得到的石墨烯產(chǎn)品的導(dǎo)電率為1.6×10⁶S/m，導(dǎo)熱系數(shù)為135.2W/m·K。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法，其是采用實(shí)施例1所提供的裝置實(shí)現(xiàn)的，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、打開反應(yīng)釜，向反應(yīng)釜內(nèi)加入5g石墨(膨脹石墨粉)，關(guān)閉反應(yīng)釜；

步驟(2)、向所述反應(yīng)釜中通入氣態(tài)插層介質(zhì)(氮?dú)?，并通過調(diào)節(jié)氣態(tài)插層介質(zhì)的進(jìn)氣量使反應(yīng)釜內(nèi)壓力控制在100atm，在該壓力及攪拌的條件下，將體系溫度升至200℃以進(jìn)行分子插層反應(yīng)，反應(yīng)1h后，再進(jìn)行快速泄壓以使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力的一半或一半以下(通過使反應(yīng)釜內(nèi)的全部氣體進(jìn)入特定體積的緩沖罐來實(shí)現(xiàn)泄壓的)，然后放出氣體至常壓，打開緩沖罐，取出反應(yīng)產(chǎn)物，得到4.6g石墨烯，計(jì)算得到本實(shí)施例中石墨烯的產(chǎn)率為92％。

經(jīng)測試，實(shí)施例3制備得到的石墨烯產(chǎn)品的導(dǎo)電率為5.4×10⁶S/m，導(dǎo)熱系數(shù)為142.5W/m·K。

實(shí)施例4

本實(shí)施例提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法，其是采用實(shí)施例1所提供的裝置實(shí)現(xiàn)的，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、打開反應(yīng)釜，向反應(yīng)釜內(nèi)加入10g石墨(膨脹石墨粉)，關(guān)閉反應(yīng)釜；

步驟(2)、向所述反應(yīng)釜中通入氣態(tài)插層介質(zhì)(氧氣)，并通過調(diào)節(jié)氣態(tài)插層介質(zhì)的進(jìn)氣量使反應(yīng)釜內(nèi)壓力控制在200atm，在該壓力及攪拌的條件下，將體系溫度升至300℃以進(jìn)行分子插層反應(yīng)，反應(yīng)2h后，再進(jìn)行快速泄壓以使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力的一半或一半以下(通過使反應(yīng)釜內(nèi)的全部氣體進(jìn)入特定體積的緩沖罐來實(shí)現(xiàn)泄壓的)，然后放出氣體至常壓，打開緩沖罐，取出反應(yīng)產(chǎn)物，得到9g石墨烯，計(jì)算得到本實(shí)施例中石墨烯的產(chǎn)率為90％。

經(jīng)測試，實(shí)施例4制備得到的石墨烯產(chǎn)品的導(dǎo)電率為3.8×10⁶S/m，導(dǎo)熱系數(shù)為137.5W/m·K。

實(shí)施例5

本實(shí)施例提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法，其是采用實(shí)施例1所提供的裝置實(shí)現(xiàn)的，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、打開反應(yīng)釜，向反應(yīng)釜內(nèi)加入10g石墨(膨脹石墨粉)，關(guān)閉反應(yīng)釜；

步驟(2)、向所述反應(yīng)釜中通入氣態(tài)插層介質(zhì)(氧氣)，并通過調(diào)節(jié)氣態(tài)插層介質(zhì)的進(jìn)氣量使反應(yīng)釜內(nèi)壓力控制在200atm，在該壓力及攪拌的條件下，將體系溫度升至300℃以進(jìn)行分子插層反應(yīng)，反應(yīng)4h后，再進(jìn)行快速泄壓以使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力的一半或一半以下(通過使反應(yīng)釜內(nèi)的全部氣體進(jìn)入特定體積的緩沖罐來實(shí)現(xiàn)泄壓的)，然后放出氣體至常壓，打開緩沖罐，取出反應(yīng)產(chǎn)物，得到9.1g石墨烯，計(jì)算得到本實(shí)施例中石墨烯的產(chǎn)率為91％。

經(jīng)測試，實(shí)施例5制備得到的石墨烯產(chǎn)品的導(dǎo)電率為7.2×10⁶S/m，導(dǎo)熱系數(shù)為157.3W/m·K。

實(shí)施例6

本實(shí)施例提供了一種通過快速泄壓剝離石墨制備石墨烯的方法，其是采用實(shí)施例1所提供的裝置實(shí)現(xiàn)的，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、打開反應(yīng)釜，向反應(yīng)釜內(nèi)加入10g石墨(膨脹石墨粉)，關(guān)閉反應(yīng)釜；

步驟(2)、向所述反應(yīng)釜中通入氣態(tài)插層介質(zhì)(氧氣)，并通過調(diào)節(jié)氣態(tài)插層介質(zhì)的進(jìn)氣量使反應(yīng)釜內(nèi)壓力控制在60atm，在該壓力及攪拌的條件下，將體系溫度升至30℃以進(jìn)行分子插層反應(yīng)，反應(yīng)2h后，再進(jìn)行快速泄壓以使反應(yīng)釜內(nèi)壓力在0.1s內(nèi)迅速降低至反應(yīng)釜內(nèi)壓力的一半或一半以下(通過使反應(yīng)釜內(nèi)的全部氣體進(jìn)入特定體積的緩沖罐來實(shí)現(xiàn)泄壓的)，然后放出氣體至常壓，打開緩沖罐，取出反應(yīng)產(chǎn)物，得到9g石墨烯，計(jì)算得到本實(shí)施例中石墨烯的產(chǎn)率為90％。

經(jīng)測試，實(shí)施例2制備得到的石墨烯產(chǎn)品的導(dǎo)電率為2.4×10⁷S/m，導(dǎo)熱系數(shù)為157.3W/m·K。