一種簡(jiǎn)單的制備薄層石墨烯的熱膨脹法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄層石墨烯簡(jiǎn)單的熱膨脹制備工藝，特別是一種簡(jiǎn)單的制備薄層石墨烯的熱膨脹法；屬于無機(jī)新能源材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由具有六邊形結(jié)構(gòu)的Sp2雜化碳原子構(gòu)成的二維單層薄膜，在石墨烯片層中存在著兩種鍵:σ。_。鍵和π鍵。σ。_。鍵存在于石墨烯的二維平面上，由于其鍵能最強(qiáng)，故使其具有良好的剛性結(jié)構(gòu)。JT鍵則存在于石墨烯的二維平面外，是由垂直于平面的P電子軌道相互疊加形成的。這種離域大鍵的存在有利于其電子導(dǎo)電性且為石墨烯片層之間提供較弱的作用力。在化學(xué)角度上講，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，如此獨(dú)特的結(jié)構(gòu)就注定其有著獨(dú)特的性質(zhì):一、極大的比表面積，高達(dá)263011^1;二、優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，楊氏模量高達(dá)ITPa ;三、極高的熱導(dǎo)率，5000W/m.K ;四、相當(dāng)高的電子迀移率，在室溫下高達(dá)250000cm2/V.s ;五、較好的化學(xué)穩(wěn)定性以及特殊的光學(xué)性質(zhì)。值得注意的是:在石墨烯粉體中，由于單層石墨烯的表面吉布斯能極大，極其容易發(fā)生片層間的相互團(tuán)聚，使石墨烯層數(shù)是一個(gè)范圍(一般為小于10層)，所以石墨烯以粉體形式存在時(shí)，又可稱為薄層石墨烯。
[0003]自2004年對(duì)此材料的報(bào)道以后，石墨烯的研宄成為了科學(xué)各界研宄的熱門課題一一化學(xué)家、物理學(xué)家、材料科學(xué)家等對(duì)此展開了廣泛的研宄。由于石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其具備上述獨(dú)特的性質(zhì)，如超大的比表面積、良好的電子導(dǎo)電性以及優(yōu)良的光學(xué)特性等。而如此優(yōu)良的碳材料也注定能以各種形式，于提高鋰離子電池、電化學(xué)電容器以及燃料電池等化學(xué)電源性能方面，將發(fā)揮著不可磨滅的作用。目前，石墨烯制備方法主要包括石墨的機(jī)械劈裂法、石墨插層法、氧化石墨的后處理法以及化學(xué)氣相沉積法(CVD)等，為了使石墨烯材料得到更廣泛的應(yīng)用，規(guī)?；a(chǎn)是必須考慮的問題，其中最適合于量產(chǎn)的為氧化石墨的后處理法，這其中氧化石墨的熱處理法則被公認(rèn)為是最有規(guī)模化生產(chǎn)潛質(zhì)的。
[0004]其中氧化石墨的熱處理法的基本過程為:以石墨為原料，利用Hummer法進(jìn)行插層氧化得到氧化石墨；而后在一定條件下，對(duì)氧化石墨進(jìn)行熱處理，利用含氧官能團(tuán)的分解反應(yīng)將石墨片層剝離，最終得到石墨烯。但是氧化石墨的熱處理法仍存在著一些問題，其中最突出的是氧化石墨的前序附加處理和膨脹條件苛刻，這嚴(yán)重制約了石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)。最具有代表性的工作包括:J Mater Sci 2014, 49,4989-4997 ；ACS Nano,2009,3, 3730-3736 ；J Mater Chem 2011,21,5392-5397 ；J Mater Chem2010, 20, 8467-8469 ；J Mater Chem C, 2013, I,50-53 ；US Pat.Pending,Ser.N0.2013/0197256A1(Aug.1, 2013) ；CN 101367516A。
[0005]其中一部分工藝在氧化石墨膨脹之前需要對(duì)氧化石墨進(jìn)行附加處理，如:J MaterChem C，2013, I, 50-53所述工藝，在石墨稀的制備之前，需要利用鹽酸對(duì)氧化石墨進(jìn)行洗滌預(yù)處理，利用殘留的氯化氫增加膨脹內(nèi)壓，從而實(shí)現(xiàn)氧化石墨的成功膨脹，這樣以來使步驟較復(fù)雜，耗時(shí)、效率低且成本高，嚴(yán)重制約石墨烯量產(chǎn)J Mater Sci 2014，49，4989-4997的工藝為，在石墨烯的制備之前，需要對(duì)氧化石墨進(jìn)行冷凍干燥處理，來減小氧化石墨間的作用力，使其更易膨脹，而冷凍干燥的效率極低，只適合于實(shí)驗(yàn)室研宄，難以將工藝放大，從成本和生產(chǎn)效率方面制約石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)。
[0006]另外一部分工藝，則是氧化石墨熱膨脹條件苛刻，如中國專利200810151807.X，ACS Nano, 2009，3，3730-3736 和 J Mater Chem 2011，21，5392-5397 所述的工藝為，在氧化石墨的熱膨脹過程中，需要較高的負(fù)壓環(huán)境來實(shí)現(xiàn)氧化石墨的成功膨脹，其條件較苛刻，對(duì)設(shè)備的要求極高，從而無形中提高了設(shè)備成本，難以放大，同樣制約石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)；JMater Chem 2010，20，8467-8469的報(bào)道的工藝是，在石墨烯的制備中則需要?dú)錃猸h(huán)境，從而使氧化石墨與氫氣發(fā)生激烈反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)氧化石墨的膨脹，這樣以來，將工藝放大較危險(xiǎn)，需要特定的設(shè)備，與第一種面臨著相似的問題；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中不足，提出一種簡(jiǎn)單的方法，制備制約石墨烯量產(chǎn)的過程，進(jìn)行了創(chuàng)新性處理。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的:
[0009]將氧化石墨撒入250°C?400°C爐體中，使其驟然升溫，瞬間完成氧化石墨的膨脹得到薄層石墨烯粉末。氧化石墨的熱膨脹過程在常壓直接完成，不需要已有報(bào)道中所提及到的氧化石墨預(yù)處理、氫氣環(huán)境進(jìn)行膨脹、真空環(huán)境下進(jìn)行膨脹等附加條件。
[0010]所述的氧化石墨可以在80?120°C進(jìn)行干燥、粉碎后使用。所述的粉碎機(jī)包括中藥粉碎機(jī)、氣流粉碎機(jī)或化工粉碎機(jī)，粉碎所得粉末能過100目及以上的篩子。
[0011]所述的氧化石墨包括人造石墨、天然石墨、鱗片石墨、石墨納米微片、軟碳或具有石墨層狀結(jié)構(gòu)碳材料。
[0012]所述的爐體為管式爐、箱式爐、馬弗爐、燒結(jié)爐、燒結(jié)窯。爐體無需保護(hù)氣氛，爐體壓力為常壓。
[0013]氧化石墨的制備遵循文獻(xiàn)中普遍使用的Hmnmers法。
[0014]我們所開發(fā)的工藝不但省去了氧化石墨的前序附加處理，而且將熱膨脹條件調(diào)整的極其溫和，石墨烯的片層數(shù)小于10層，在X射線衍射譜中沒有明顯衍射峰，屬于短程有序，長程無序。在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，降低了生產(chǎn)成本，非常適合于石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0015]圖1:實(shí)施例1得到石墨烯與氧化石墨的XRD測(cè)試曲線；
[0016]圖2:實(shí)施例1得到石墨烯的SEM照片(a)放大倍數(shù)為2萬；(b)放大倍數(shù)為5萬；
[0017]圖3:實(shí)施例1得到石墨烯的(a)片層TEM圖；(b)邊緣TEM圖；(C)電子衍射光斑；
[0018]圖4:實(shí)施例1得到石墨烯的氮?dú)馕?脫附曲線(內(nèi)附其比表面積)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]以鱗片石墨為原料，利用Hummers法得到氧化石墨。將得到氧化石墨洗滌干凈后，利用鼓風(fēng)干燥箱在100 °c對(duì)樣品進(jìn)行干燥，