一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法
2023-07-23 20:38:31 1
專利名稱：一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法
技術領域：
本發明涉及碳結構材料的製備方法。
背景技術：
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構材料，因其高強度、高熱導率、高導電性及高比表面積等優點受到了研究者的廣泛重視。目前製備石墨烯的方法主要有機械剝離法、溶劑剝離法、晶體外延生長法、化學氣相沉積法及氧化石墨熱膨脹法等。機械剝離法和溶劑剝離法產生的石墨烯片的效率很低；晶體外延生長法和化學氣相沉積法適用於大面積石墨烯薄膜的製備，無法滿足納米複合材料領域對小尺寸石墨烯材料的要求，且該方法的操作複雜、成本較高；氧化石墨熱膨脹雖然能夠以較低的成本製備出大量的石墨烯，但石墨烯的電子結構以及晶體的完整性均受到強氧化劑的破壞，造成較大的缺陷。
目前，有研究發現金屬鎂在乾冰中燃燒能夠較高產量的製備石墨烯，為石墨烯的製備提供了新的途徑。但該方法也存著以下不足首先，乾冰在常壓下於零下78. 5°C的溫度下穩定存在，常溫下易受熱升華，給運輸、儲存和使用都帶來很多不便；其次，鎂在乾冰中燃燒時，反應放熱，會導致大量乾冰升華，若反應在常壓下進行，則造成反應物乾冰的大量浪費，若反應在密閉容器中進行，則在反應過程中容器內壓強迅速增大，需設計高壓反應設備，增加成本。此外，2011年國外開發出以蔗糖為碳源，高溫條件下，在氫氣和氬氣氣氛中以粘土表面為支撐，製備石墨烯。該方法最大優點為原料成本低，但該製備方法需要在高溫條件進行，能源消耗較大。
發明內容
本發明是要解決現有石墨烯的製備方法無法同時具備原料易保存運輸、節約能源、操作方法簡單、成本低的優點的問題，本發明提供了一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法。本發明的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法按以下步驟進行一、按質量份數稱取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中，在空氣氣氛中進行幹法混粉，混粉時間為O. 5 5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進行高壓燃燒合成反應或常壓燃燒合成反應；四、將經步驟四處理的混合粉體放入質量百分含量為109Γ37%的鹽酸中進行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小於5後，用蒸餾水衝洗，至衝洗液為中性，在常壓下或真空中進行乾燥，得到石墨烯粉體。本發明利用金屬鎂和糖作為反應物，利用燃燒合成反應製備石墨烯。以糖作為碳源，糖常溫下穩定，易於保存和運輸；反應產物為固體，對反應體系的氣壓影響小，對設備耐壓要求低，安全係數高，反應迅速且易於操控；無需外界輸入大量能量，節約了能源成本，適合大規模工業化生產；本發明製備的石墨烯粉體為6層及以下的少層石墨烯；拉曼光譜的G峰(1579CHT1)和2D峰(2686CHT1)的出現表明本發明製備的石墨烯粉體具有典型的石墨結構特徵；2D峰(2686CHT1)峰型對稱並且峰位相對於石墨的2D峰位(27301740011-1)明顯向低波段移動，表現出典型的少層石墨烯特徵。本發明適用於石墨烯的工業化生產。
圖I為試驗一得到的石墨烯粉體的拉曼光譜
圖2為試驗一得到的石墨烯粉體的透射電鏡照片。
具體實施例方式本發明的技術方案不局限於以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實現的一、按質量份數稱取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中，在空氣氣氛中進行幹法混粉，混粉時間為O. 5 5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進行高壓燃燒合成反應或常壓燃燒合成反應；四、將經步驟四處理的混合粉體放入質量百分含量為109Γ37%的鹽酸中進行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小於5後，用蒸餾水衝洗，至衝洗液為中性，在常壓下或真空中進行乾燥，得到石墨烯粉體。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中按質量份數稱取O. 74、. 9的鎂粉和和I份的糖粉，其它步驟及參數與具體實施方式
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
一至四不同的是步驟三中高壓燃燒合成反應按以下步驟進行操作a、將混合粉體置於耐壓能力f5MPa的通用的燃燒合成反應裝置內，然後在混合粉體上方加入點火劑；其中，所述點火劑為鎂熱反應的Fe304+Mg或Mn02+Mg或鋁熱反應的Fe3O4+Al 或 Cr203+Al ；b、將燃燒合成反應裝置內部抽真空,然後向燃燒合成反應裝置內通入O. IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應裝置；
C、採用局部電熱點火或局部高頻感應加熱的方式，點燃步驟a中的點火劑，使混合粉體進行燃燒反應；其中，局部電熱點火是在螺旋狀鎢絲線圈上通以1(Γ30Α直流電流，加熱局部反應物料引發燃燒合成反應；局部高頻感應加熱是採用高頻感應線圈，加熱局部反應物料弓I發燃燒合成反應，其它步驟及參數與具體實施方式
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
一至五不同的是步驟三中常壓燃燒合成反應按以下步驟進行操作 a、將混合粉體置於坩堝中，並在混合粉體上方加入點火劑；其中，點火劑為鎂熱反應的 Fe304+Mg 或 Mn02+Mg 或鋁熱反應的 Fe304+Al 或 Cr203+Al ；b、然後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部充滿二氧化碳；d、採用局部電熱點火或局部高頻感應加熱的方式，點燃點火劑，使混合粉體進行燃燒反應，在反應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，加熱局部反應物料引發燃燒合成反應；局部高頻感應加熱是採用高頻感應線圈，加熱局部反應物料引發燃燒合成反應，其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。通過以下試驗驗證本發明的有益效果試驗一本試驗的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實現的一、按質量份數稱取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中，在空氣氣氛中進行幹法混粉，混粉時間為I. 5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進行高壓燃燒合成反應；四、將經步驟三處理的混合粉體放入質量百分含量為20%的鹽酸中進行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小於5後，用蒸餾水衝洗，至衝洗液為中性，在真空中進行乾燥，得到石墨稀粉體。高壓燃燒合成反應按以下步驟進行操作a、將步驟二得到的混合粉體置於耐壓能力廣5MPa的通用的燃燒合成反應裝置內，然後在混合粉體上方加入點火劑Fe304+Mg ；b、將燃燒合成反應裝置內部抽真空,然後向燃燒合成反應裝置內通入O. IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應裝置；C、採用局部電熱點火方式，在螺旋狀鎢絲線圈中通以20A直流電流，點燃點火劑Fe304+Mg,使混合粉體進行燃燒合成反應。試驗一得到的石墨烯粉體厚度主要集中在O. 33^3. 35nm，層數為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)的出現表明本發明製備的石墨烯粉體具有典型的石墨結構特徵；2D峰(2686CHT1)峰型對稱並且峰位相對於石墨的2D峰位(27301740(3!^1)明顯向低波段移動，表現出典型的少層石墨烯特徵。其透射電鏡照片如圖2所示，其中，A區域為I層石墨烯的邊緣圖像，B區域為3層石墨烯邊緣的圖像，C區域為6層石墨烯的邊緣圖像，圖中可見多個少於6層的石墨烯的邊緣圖像，說明試驗一得到的石墨烯主要為6層以下的少層石墨烯。試驗二 本試驗的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實現的—、按質量份數稱取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中，在空氣氣氛中進行幹法混粉，混粉時間為2h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進行高壓燃燒合成反應；四、將經步驟三處理的混合粉體放入質量百分含量為15%的鹽酸中進行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小於5後，用蒸餾水衝洗，至衝洗液為中性，在真空中進行乾燥，得到石 墨稀粉體。高壓燃燒合成反應按以下步驟進行操作a、將步驟二得到的混合粉體置於耐壓能力廣5MPa的通用的燃燒合成反應裝置內，然後在混合粉體上方加入點火劑Mn02+Mg ；b、將燃燒合成反應裝置內部抽真空,然後向燃燒合成反應裝置內通入O. IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應裝置；C、採用局部電熱點火方式，在螺旋狀鎢絲線圈中通以20A直流電流，點燃點火劑Mn02+Mg,使混合粉體進行燃燒合成反應。試驗二得到的石墨烯粉體厚度主要集中在O. 33 3. 35nm，層數為I 6層。試驗三本試驗的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，是通過以下步驟實現的一、按質量份數稱取O. 74份的鎂粉和I份的澱粉；其中，所述鎂粉的純度為99. 5%，平均顆粒直徑為O. Imm ;澱粉的純度為99%，平均顆粒直徑O. 5mm ；二、將步驟一稱取的鎂粉和澱粉置入混粉機中，在空氣氣氛中進行幹法混粉，混粉時間為5h，得到混合粉體；三、將步驟二得到的混合粉體進行常壓燃燒合成反應；四、將經步驟三處理的混合粉體放入質量百分含量為20%的鹽酸中進行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小於5後，用蒸餾水衝洗，至衝洗液為中性，在真空中進行乾燥，得到石墨稀粉體。常壓燃燒合成反應按以下步驟進行操作a、將步驟二得到的混合粉體置於IL的坩堝中，並在混合粉體上方加入點火劑Fe304+Mg ；b、然後將坩堝放入到20L的不鏽鋼桶中；C、在不鏽鋼桶底部通入二氧化碳，使坩堝和不鏽鋼桶內部充滿二氧化碳；d、採用局部電熱點火的方式，在螺旋狀鎢絲線圈中通以20A直流電流，點燃點火劑Fe304+Mg，使混合粉體進行燃燒合成反應，在反應過程中保持通入二氧化碳，二氧化碳的通入速度為20L/min。試驗三得到的石墨烯粉體厚度主要集中在O. 33^3. 35nm，層數為I飛層。
權利要求
1.一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，其特徵在於燃燒合成製備石墨烯粉體的方法按以下步驟進行 一、按質量份數稱取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中，在空氣氣氛中進行幹法混粉，混粉時間為0. 5 5h，得到混合粉體； 三、將步驟二得到的混合粉體進行高壓燃燒合成反應或常壓燃燒合成反應； 四、將經步驟四處理的混合粉體放入質量百分含量為109^37%的鹽酸中進行酸洗，酸洗至酸洗液的PH值小於5後，用蒸餾水衝洗，至衝洗液為中性，在常壓下或真空中進行乾燥，得到石墨烯粉體。
2.根據權利要求I所述的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，其特徵在於步驟一中按質量份數稱取0. 74、. 9的鎂粉和和I份的糖粉。
3.根據權利要求I或2所述的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，其特徵在於步驟一中鎂粉的純度為99. 5%，平均顆粒直徑為0. 1mm。
4.根據權利要求I或2所述的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，其特徵在於步驟一中糖粉的純度為99%，平均顆粒直徑為0. 05、. 5mm。
5.根據權利要求I所述的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，其特徵在於步驟三中高壓燃燒合成反應按以下步驟進行操作 a、將混合粉體置於耐壓能力f5MPa的通用的燃燒合成反應裝置內，然後在混合粉體上方加入點火劑；其中，所述點火劑為鎂熱反應的Fe304+Mg或Mn02+Mg或鋁熱反應的Fe3O4+Al 或 Cr203+Al ； b、將燃燒合成反應裝置內部抽真空，然後向燃燒合成反應裝置內通入0.IMPa的二氧化碳，隨即密閉反應裝置； C、採用局部電熱點火或局部高頻感應加熱的方式，點燃步驟a中的點火劑，使混合粉體進行燃燒反應；其中，局部電熱點火是在螺旋狀鎢絲線圈上通以IOlOA直流電流，加熱局部反應物料引發燃燒合成反應；局部高頻感應加熱是採用高頻感應線圈，加熱局部反應物料引發燃燒合成反應。
6.根據權利要求I所述的一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，其特徵在於步驟三中常壓燃燒合成反應按以下步驟進行操作 a、將混合粉體置於坩堝中，並在混合粉體上方加入點火劑；其中，點火劑為鎂熱反應的Fe304+Mg 或 Mn02+Mg 或鋁熱反應的 Fe304+Al 或 Cr203+Al ； b、然後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部充滿二氧化碳； d、採用局部電熱點火或局部高頻感應加熱的方式，點燃點火劑，使混合粉體進行燃燒反應，在反應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，局部電熱點火是在螺旋狀鎢絲線圈中通以IOlOA直流電流，加熱局部反應物料引發燃燒合成反應；局部高頻感應加熱是採用高頻感應線圈，加熱局部反應物料弓I發燃燒合成反應。
全文摘要
一種燃燒合成製備石墨烯粉體的方法，它涉及碳結構材料的製備方法。本發明是要解決現有石墨烯的製備方法無法同時具備原料易保存運輸、節約能源、操作方法簡單、成本低的優點的問題。製備方法通過幹法混粉，製備鎂粉和糖粉的混合粉體，將該混合粉體進行燃燒合成反應，得到石墨烯粉體。本發明的石墨烯粉體的製備方法同時具備原料易保存運輸、節約能源、操作方法簡單、成本低的優點，通過本發明的方法製備出的石墨烯粉體厚度較小。本發明適用於石墨烯的工業化生產。
文檔編號C01B31/04GK102826546SQ20121036970
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者王黎東, 費維棟 申請人:哈爾濱工業大學