本發(fā)明涉及石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨原料的預(yù)處理裝置及方法、石墨中間體和石墨烯。

背景技術(shù)：

自石墨烯被從石墨材料中剝離出來以來，獲得了越來越多的關(guān)注。石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，是目前已知的最薄的材料，也是最強韌的材料，其斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時，石墨烯又有很好的彈性，是目前自然界最薄、強度最高的材料。此外，在石墨烯中，每個碳原子都有未成鍵的p電子并可自由移動，且運動速度高達光速的1/300，使得石墨烯具有良好的導(dǎo)電性。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“新材料之王”。

目前，石墨烯常見的制備方法包括機械剝離法，機械剝離法主要是依靠溶劑插入石墨層間，通過破壞石墨層間的分子作用力，使層與層間發(fā)生分離，得到石墨烯。此方法只能從石墨原料的最外層開始剝離，因而效率較低。且在溶劑插層過程中，外層分子間間距的增大會導(dǎo)致內(nèi)層分子間的間距減小，使得內(nèi)層不容易插入溶劑分子，從而導(dǎo)致剝離效率進一步降低，剝離效果較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供一種石墨原料的預(yù)處理裝置及方法、石墨中間體和石墨烯，能夠?qū)⑹项A(yù)處理為以層數(shù)較少的中間態(tài)存在，從而能夠提高剝離效率和剝離效果。

為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨原料的預(yù)處理裝置，包括：

超聲震蕩器，所述超聲震蕩器包括震蕩槽，所述震蕩槽的底部和側(cè)壁上分布有換能器，所述震蕩槽內(nèi)盛放有石墨原料；

輸送泵，所述輸送泵與所述震蕩槽連通，所述石墨原料可通過所述輸送泵分為至少兩路被循環(huán)至所述震蕩槽內(nèi)，使所述石墨原料可在所述震蕩槽內(nèi)進行超聲震蕩的同時發(fā)生碰撞。

優(yōu)選的，所述超聲震蕩器還包括至少兩個第一導(dǎo)流槽，每一個所述第一導(dǎo)流槽的一端分別與所述震蕩槽連通，另一端分別與所述輸送泵的輸出端連通。

可選的，所述超聲震蕩器還包括至少一個第二導(dǎo)流槽，所述第二導(dǎo)流槽的一端與所述震蕩槽連通，另一端與所述輸送泵的輸入端連通。

優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)流槽、所述第二導(dǎo)流槽以及所述震蕩槽的底部與側(cè)壁上均分布有換能器。

可選的，所述第一導(dǎo)流槽的截面寬度沿所述石墨原料在所述第一導(dǎo)流槽內(nèi)的流動方向漸縮，所述第二導(dǎo)流槽的截面寬度沿所述石墨原料在所述第二導(dǎo)流槽內(nèi)的流動方向漸擴。

優(yōu)選的，以所述震蕩槽為圓心作圓，隨著所述圓的半徑的增大，所述換能器的分布密度逐漸減小。

另一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨原料的預(yù)處理方法，應(yīng)用于如上所述的預(yù)處理裝置，包括：

將石墨原料盛放于所述震蕩槽內(nèi)，對所述石墨原料進行超聲震蕩；

將所述石墨原料通過所述輸送泵分為至少兩路被不斷循環(huán)至所述震蕩槽內(nèi)，使得所述石墨原料在進行超聲震蕩的同時發(fā)生碰撞。

優(yōu)選的，所述石墨原料是分散在超聲介質(zhì)中進行超聲震蕩的。

可選的，所述超聲介質(zhì)中添加有插層分子。

優(yōu)選的，所述插層分子為平面或近平面結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述超聲介質(zhì)中添加有飽和脂肪酸，且所述插層分子與所述飽和脂肪酸的摩爾比例控制在5:1-9:1。

可選的，所述超聲介質(zhì)的溫度為5-95℃。

進一步地，所述震蕩槽內(nèi)的超聲震蕩的頻率為110-120赫茲，時間為2-3h。

另一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨中間體，采用如上所述的預(yù)處理方法制備獲得。

優(yōu)選的，所述石墨中間體包括：300-500層的石墨片層、100-300層的石墨片層以及100層以下的石墨片層，其中，所述300-500層的石墨片層的質(zhì)量為所述石墨原料總質(zhì)量的80％-85％，所述100-300層的石墨片層的質(zhì)量為所述石墨原料總質(zhì)量的10％-15％，其余為100層以下的石墨片層。

再一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨烯，所述石墨烯由如上所述的石墨中間體通過超臨界水氧化法制備獲得。

優(yōu)選的，單層石墨烯的質(zhì)量為所述石墨烯總質(zhì)量的32％以上。

本發(fā)明實施例提供了一種石墨原料的預(yù)處理裝置及方法、石墨中間體和石墨烯，通過設(shè)置輸送泵，通過所述輸送泵將所述石墨原料分為至少兩路循環(huán)至所述震蕩槽內(nèi)，使得所述石墨原料在所述震蕩槽內(nèi)進行超聲震蕩的同時發(fā)生碰撞，這樣，所述石墨原料通過超聲震蕩的高能作用發(fā)生初步剝離，同時所述石墨原料相互之間發(fā)生碰撞，能夠進一步促進所述石墨原料的剝離，使得所述石墨原料被剝離為以層數(shù)較少的中間態(tài)存在，再通過機械剝離法進行剝離時，能夠提高剝離效率和剝離效果?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中直接通過機械剝離法對石墨原料進行剝離時剝離效率較低以及剝離效果較差的缺陷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種石墨原料的預(yù)處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種石墨原料的預(yù)處理方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例提供的一種石墨原料的預(yù)處理裝置及預(yù)處理方法、石墨中間體和石墨烯進行詳細描述。

一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨原料的預(yù)處理裝置，參見圖1，包括：

超聲震蕩器1，所述超聲震蕩器1包括震蕩槽11，所述震蕩槽的底部和側(cè)壁上分布有換能器，所述震蕩槽內(nèi)盛放有石墨原料；

輸送泵2，所述輸送泵2與所述震蕩槽11連通，所述石墨原料可通過所述輸送泵1分為至少兩路被循環(huán)至所述震蕩槽內(nèi)，使所述石墨原料可在所述震蕩槽內(nèi)進行超聲震蕩的同時發(fā)生碰撞。

本發(fā)明實施例提供一種石墨原料的預(yù)處理裝置，通過設(shè)置輸送泵2，通過所述輸送泵將所述石墨原料分為至少兩路循環(huán)至所述震蕩槽內(nèi)，使得所述石墨原料在所述震蕩槽內(nèi)進行超聲震蕩的同時發(fā)生碰撞，這樣，所述石墨原料通過超聲震蕩的高能作用發(fā)生初步剝離，同時所述石墨原料相互之間發(fā)生碰撞，能夠進一步促進所述石墨原料的剝離，使得所述石墨原料被剝離為以層數(shù)較少的中間態(tài)存在，再通過機械剝離法進行剝離時，能夠提高剝離效率和剝離效果?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中直接通過機械剝離法對石墨原料進行剝離時剝離效率較低以及剝離效果較差的缺陷。

其中，對所述震蕩槽11的具體結(jié)構(gòu)不做限定，所述震蕩槽11可以為任何形狀的槽體。

其中，所述輸送泵2可以通過管道與所述震蕩槽11連通，示例性的，所述輸送泵2可以包括輸入端和輸出端，所述輸送泵2的輸入端通過一個管道與所述震蕩槽11連通，所述輸送泵2的輸出端通過兩個管道分別與所述震蕩槽11連通，這樣，當(dāng)開啟所述輸送泵2時，所述輸送泵2能夠?qū)⑺稣鹗幉?1內(nèi)的石墨原料抽至所述輸送泵2中，然后再通過兩個管道輸送至所述震蕩槽11內(nèi)，使得所述石墨原料能夠發(fā)生碰撞；當(dāng)然，所述輸送泵2也可以為兩個或兩個以上，分別將所述石墨原料輸送至所述震蕩槽11內(nèi)進行碰撞。

本發(fā)明的一實施例中，所述超聲震蕩器1還包括至少兩個第一導(dǎo)流槽12，每一個所述第一導(dǎo)流槽12的一端分別與所述震蕩槽11連通，另一端分別與所述輸送泵2的輸出端連通。通過在所述超聲震蕩器1上設(shè)置第一導(dǎo)流槽12，能夠?qū)⑺鲚斔捅?的輸出端通過管道與所述第一導(dǎo)流槽12連通，避免通過所述輸送泵2的輸出端通過管道直接與所述震蕩槽11連通時所述管道不容易固定的缺陷，且將所述石墨原料通過所述輸送泵2輸送至所述第一導(dǎo)流槽12時，所述石墨原料還能夠與所述第一導(dǎo)流槽12的內(nèi)壁發(fā)生碰撞，提高剝離效果。

本發(fā)明的又一實施例中，所述超聲震蕩器1還包括至少一個第二導(dǎo)流槽13，所述第二導(dǎo)流槽13的一端與所述震蕩槽11連通，另一端與所述輸送泵2的輸入端連通。通過在所述超聲震蕩器1上設(shè)置第二導(dǎo)流槽13，能夠?qū)⑺鲚斔捅?的輸入端通過管道與所述第二導(dǎo)流槽13連通，避免通過所述輸送泵2的輸入端通過管道直接與所述震蕩槽11連通時所述管道不容易固定的缺陷，且將所述石墨原料通過所述第二導(dǎo)流槽13輸送至所述輸送泵2時，所述石墨原料還能夠與所述第二導(dǎo)流槽13的內(nèi)壁發(fā)生碰撞，提高剝離效果。

在實際應(yīng)用中，可以直接在所述超聲震蕩器的器壁上開設(shè)所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13，當(dāng)然，也可以將所述超聲震蕩器的整體結(jié)構(gòu)進行改變，將其制作成具有震蕩槽11、第一導(dǎo)流槽12和第二導(dǎo)流槽13的形狀，并在所述震蕩槽11、第一導(dǎo)流槽12和第二導(dǎo)流槽13的底部設(shè)置換能器，這樣，當(dāng)所述超聲震蕩器開啟時，在所述震蕩槽11內(nèi)的石墨原料和沿著所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13流動的石墨原料均能夠發(fā)生超聲震蕩。

本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13的底部與側(cè)壁上分布有換能器3。通過在所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13的底部與側(cè)壁上分布換能器3，能夠使所述石墨原料在流動過程中也發(fā)生震蕩，促使所述石墨原料的震蕩和碰撞，進一步提高所述石墨原料的預(yù)處理效果，進一步減少石墨原料的中間態(tài)的層數(shù)，從而進一步提高剝離效率和剝離效果。

其中，對所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13的結(jié)構(gòu)不做限定，所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13可以為直線槽也可以為曲線槽。

對所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13的具體結(jié)構(gòu)不做限定。

本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，所述第一導(dǎo)流槽12的截面寬度沿所述石墨原料在所述第一導(dǎo)流槽12內(nèi)的流動方向漸縮，所述第二導(dǎo)流槽13的截面寬度沿所述石墨原料在所述第二導(dǎo)流槽13內(nèi)的流動方向漸擴。

在本發(fā)明實施例中，所述石墨原料在所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13內(nèi)流動至所述震蕩槽11處時流速最高，能夠提高所述石墨原料的碰撞速度，進一步提高所述石墨原料的預(yù)處理效果。

本發(fā)明的又一實施例中，以所述震蕩槽11為圓心作圓，隨著所述圓的半徑的增大，所述換能器3的分布密度逐漸減小。

其中，本發(fā)明實施例中所提及的所述震蕩槽11是指周圍分布有所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13的震蕩槽，這時，由于所述第一導(dǎo)流槽12和所述第二導(dǎo)流槽13均與所述震蕩槽11連通，因此，在本發(fā)明實施例中，按照距離所述震蕩槽11的距離遠近對所述換能器3的分布密度進行調(diào)整，能夠使所述石墨原料在發(fā)生碰撞時(即在震蕩槽11內(nèi))震蕩強度最大，進一步提高所述石墨原料的預(yù)處理效果。

其中，所述換能器3的分布密度可以根據(jù)所需要的震蕩強度進行合理設(shè)置。

另一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨原料的預(yù)處理方法，應(yīng)用于如上所述的預(yù)處理裝置，參見圖2，包括：

步驟1)將石墨原料盛放于所述震蕩槽內(nèi)，對所述石墨原料進行超聲震蕩；

步驟2)將所述石墨原料通過所述輸送泵分為至少兩路被不斷循環(huán)至所述震蕩槽內(nèi)，使得所述石墨原料在進行超聲震蕩的同時發(fā)生碰撞。

本發(fā)明實施例提供一種石墨原料的預(yù)處理方法，通過將所述石墨原料分為至少兩路被不斷循環(huán)至所述震蕩槽內(nèi)，使得所述石墨原料在所述震蕩槽內(nèi)進行超聲震蕩的同時發(fā)生碰撞，這樣，所述石墨原料通過超聲震蕩的高能作用發(fā)生初步剝離，同時所述石墨原料相互之間發(fā)生碰撞，能夠進一步促進所述石墨原料的剝離，使得所述石墨原料被剝離為以層數(shù)較少的中間態(tài)存在，再通過機械剝離法進行剝離時，能夠提高剝離效率和剝離效果。克服了現(xiàn)有技術(shù)中直接通過機械剝離法對石墨原料進行剝離時剝離效率較低以及剝離效果較差的缺陷。

本發(fā)明的一實施例中，所述石墨原料是分散在超聲介質(zhì)中進行超聲處理的。當(dāng)對所述石墨原料進行超聲處理時，超聲波的應(yīng)用原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機械振蕩而傳播到介質(zhì)，超聲波在超聲介質(zhì)中疏密相間地向前輻射，使超聲介質(zhì)流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，存在于超聲介質(zhì)中的微小氣泡(空化核)在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，在所述石墨原料的周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力，破壞其片層結(jié)構(gòu)使其分散于所述超聲介質(zhì)中，從而達到初步剝離的目的。

優(yōu)選的，所述超聲震蕩的頻率為110-120赫茲，時間為2-3h。在該頻率和時間下，能夠最大程度上提高所述石墨原料的剝離效率和剝離效果。

本發(fā)明的又一優(yōu)選實施例中，所述超聲介質(zhì)中添加有插層分子。

需要說明的是，由于所述石墨中的碳原子成層排列，每個碳與相鄰的碳之間等距相連，每一層中的碳按六方環(huán)狀排列，上下相鄰層的碳六方環(huán)通過平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu)，位移的方位和距離不同就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。因此，通過在所述超聲介質(zhì)中添加插層分子，所述插層分子能夠穿插在所述石墨中的片層結(jié)構(gòu)之間，這樣，有利于石墨片層之間的剝離。

其中，所述插層分子可以為有機溶劑，由于石墨片層件的分子間距為一個原子的尺寸，因此，優(yōu)選的，所述插層分子為平面或近平面結(jié)構(gòu)。其中，平面結(jié)構(gòu)是指所有原子是位于同一平面的分子結(jié)構(gòu)，近平面結(jié)構(gòu)是指所有原子基本位于同一平面的分子結(jié)構(gòu)，例如：N-甲基吡咯烷酮(NMP)、環(huán)戊酮、γ-丁內(nèi)酯、環(huán)己烷等，這樣，所述插層分子能夠穿插入所述石墨片層之間。

進一步地，為提高插層分子的插層效果，還可向超聲介質(zhì)中添加一定量的飽和脂肪酸(脂肪碳鏈的碳原子為6～12)，這樣，能夠建立所述超聲介質(zhì)與所述插層分子之間的分子間作用力，更利于所述石墨原料的剝離。

優(yōu)選的，所述插層分子與所述飽和脂肪酸的摩爾比例控制在5:1-9:1。

其中，對所述超聲介質(zhì)不做限定，所述超聲介質(zhì)可以為水，也可以為有機溶劑，只要能夠使得所述石墨原料良好分散即可。

本發(fā)明的一實施例中，所述超聲介質(zhì)的溫度為5-95℃。在該溫度下，能夠增強剝離效果。

優(yōu)選的，所述超聲介質(zhì)的溫度為25-95℃。通過提高所述超聲介質(zhì)的溫度，能夠進一步增強剝離效果。

其中，當(dāng)所述超聲介質(zhì)中添加有插層分子時，所述超聲介質(zhì)的溫度可以為25-55℃，這樣，能夠減少超聲介質(zhì)和所述插層分子的揮發(fā)。

當(dāng)然，在實際應(yīng)用中，可以將所述超聲震蕩器的蓋子蓋上，以防止所述超聲介質(zhì)和所述插層分子的揮發(fā)。

另一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨中間體，采用如上所述的預(yù)處理方法制備獲得。

本發(fā)明實施例提供一種石墨中間體，通過將石墨原料在所述震蕩槽內(nèi)發(fā)生超聲震蕩的過程中，將所述石墨原料分為至少兩路輸送至所述震蕩槽內(nèi)進行碰撞，對石墨原料進行預(yù)處理，這樣，所述石墨原料通過超聲震蕩的高能作用發(fā)生初步剝離，同時所述石墨原料相互之間發(fā)生碰撞，能夠進一步促進所述石墨原料的初步剝離，使得所述石墨原料被剝離為以層數(shù)較少的中間態(tài)存在，獲得層數(shù)較少的石墨中間體，將所獲得的該石墨中間體通過機械剝離法進行剝離時，能夠提高剝離效率和剝離效果?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中直接通過機械剝離法對石墨原料進行剝離時剝離效率較低以及剝離效果較差的缺陷。

其中，對所述石墨中間體的具體組成不做限定，在經(jīng)過預(yù)處理之后，所述石墨原料被剝離為層數(shù)較少的石墨片層，因此，所述石墨中間體由層數(shù)較少的石墨片層構(gòu)成。

本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，所述石墨中間體包括：300-500層的石墨片層、100-300層的石墨片層以及100層以下的石墨片層，其中，所述300-500層的石墨片層的質(zhì)量為所述石墨原料總質(zhì)量的80％-85％，所述100-300層的石墨片層的質(zhì)量為所述石墨原料總質(zhì)量的10％-15％，其余為100層以下的石墨片層。

在本發(fā)明實施例中，所述石墨中間體以層數(shù)小于500層的石墨片層存在，在對其進行機械剝離時，能夠進一步提高剝離效率。

再一方面，本發(fā)明實施例提供一種石墨烯，所述石墨烯由如上所述的石墨原料通過超臨界水氧化法制備獲得。

本發(fā)明實施例提供一種石墨烯，通過將石墨原料進行預(yù)處理后，能夠獲得層數(shù)較少的石墨中間體，將所獲得的石墨中間體通過超臨界水氧化法進行處理時，有利于所述石墨中間體的片層之間的剝離，超臨界狀態(tài)下，所述石墨中間體的片層能夠發(fā)生瞬間膨脹反應(yīng)，從而有利于所述石墨中間體的片層的剝離。

需要說明的是，在預(yù)處理過程中，當(dāng)所述石墨原料與插層分子發(fā)生插層反應(yīng)之后，所獲得的石墨中間體的片層之間還穿插有所述插層分子，這樣，通過超臨界水氧化法進行處理時，所述插層分子能夠被氧化為二氧化碳和水，二氧化碳和水的溢出能夠進一步促使所述石墨中間體的片層之間發(fā)生剝離，能夠提高單層石墨烯的產(chǎn)率，進一步提高剝離效果和剝離效率。

本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，單層石墨烯的質(zhì)量為所述石墨烯總質(zhì)量的32％以上。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。