[发明专利]一种制备多层石墨烯碳材料的方法

说明书

技术领域

一种制备多层石墨烯碳材料的方法，先自行制备无定形碳材料，再在单质金属钠熔体中经过结构重整转变为多层石墨烯，属于碳材料制备技术领域。

背景技术

多层石墨烯是最近几年刚被发现的一种准二维新型碳结构材料，因其具有介于二维结构单层石墨烯和三维结构石墨晶体的独特结构，因而表现出一系列优异的性能，比如高杨氏模量、高电导率、高热导率、高比表面积等。正是由于拥有如此优异的性能，多层石墨烯在电容器、传感器、催化、储能等领域具有广泛的应用空间，是一种潜力巨大的新型材料。

然而目前制备多层石墨烯的方法严重制约了多层石墨烯在各个领域的实际应用，传统的机械剥离、超声分散、气相沉积、外延生长、化学还原等方法采用石墨、SiC单晶或有机气体为原料，分离石墨晶体中的碳原子层、加热蒸发Si原子或使有机气体中的碳原子在基板表面有序排列为制备工艺，具有成本高昂、条件苛刻、产率低下等缺点，无法全方位很好地满足大规模工业生产多层石墨烯的需要。如果能够使用价格低廉且存在普遍的无定形碳材料作为原料，使其在相对较低的温度和常压下发生结构重整，把原本杂乱堆叠的碳残片重排为多层石墨烯，并且抑制碳原子排列重整过程中碳层堆叠数量的增加，避免结构重整过程中得到的多层石墨烯大量转化为石墨晶体，这样既可以降低制备成本，简化制备条件，又可以扩大生产规模以提高多层石墨烯的产量。根据当前的文献检索和专利检索结果，还没有相关的研究结果和专利申报结果的报道。

发明内容

本发明的目的在于公开一种制备多层石墨烯碳材料的方法，该方法极大地降低了制备成本，简化了制备工艺，扩大了生产规模，通过这种方法可以将自制的无定形碳材料在较低的温度和常压下转化为多层石墨烯。

为了达到上述目的，本发明采用单质金属钠作为催化剂和介质，利用金属钠的高反应活性、电子传导性和传热性，降低了无定形碳中乱层碳残片向规则碳层转化的势垒，因此可以实现在较低的温度和常压下将自制的无定形碳材料转化为多层石墨烯。具体做法是将自制的无定形碳材料和单质金属钠(碳材料与钠的质量比为3～7∶7～3)置于惰性材料的坩埚中，然后将坩埚置于管式炉中，在氮气或氩气保护下，以1～50℃/min的速率升温至500～1000℃并保温1～72h，再冷却至室温，取出产物用质量浓度为65～68％的硝酸和去离子水清洗至洗液的pH值为7，最后在100℃下烘干，得到多层石墨烯碳材料。

按本发明的方法制备出的多层石墨烯碳材料，其碳原子层数为3～20层。

本发明所说的自制的无定形碳材料为金属(锰、钴、镍、铁、铜、锌中的一种)掺杂的无定形热解炭，在自制的无定形碳材料中掺杂金属元素，可以抑制碳原子排列重整过程中碳层堆叠数量的增加，避免结构重整过程中得到的多层石墨烯大量转化为石墨晶体。

具体的制备方法为：

第一步，无定形碳材料的制备

A，先以质量份数计量量取间苯二酚∶甲醛水溶液∶十六烷基三甲基溴化铵∶去离子水＝1∶0.8～3.5∶0.004～0.07∶0～7.5，再量取金属乙酸盐，金属乙酸盐的计量是以金属乙酸盐的质量满足间苯二酚，甲醛水溶液，十六烷基三甲基溴化铵和去离子水四种原料的总质量的0.5～50％为准进行的，最后将它们混合均匀，得到无定形碳材料的液态前驱体；

上述甲醛水溶液为37～40％的质量百分比浓度；

上述金属乙酸盐为乙酸锰、乙酸钴、乙酸镍、乙酸亚铁、乙酸铜或乙酸锌中的一种；

B，将所得的液态前驱体移入反应瓶中密封，在60～90℃下加热12h～9d，然后在室温下干燥5h～9d，再在60～110℃下干燥2～36h，得到无定形碳材料的固态前驱体；

C，将所得的固态前驱体置于惰性材料坩埚中，然后将惰性材料坩埚置于管式炉中，在氮气或氩气保护下，升温至500～1000℃并保温1～72h，再冷却至室温，得到无定形碳材料；

第二步，多层石墨烯碳材料的制备

将第一步C所得的无定形碳材料和单质金属钠按碳材料与钠的质量比份数计量量取为3～7∶7～3并置于惰性材料坩埚中，然后将惰性材料坩埚置于管式炉中，在氮气或氩气保护下，以1～50℃/min的速率升温至500～1000℃并保温1～72h，再冷却至室温，取出产物用质量浓度为65～68％的硝酸和去离子水清洗至洗液的pH值为7，最后在100℃下烘干，得到含有3～20层碳原子层数的多层石墨烯碳材料；

上述惰性材料坩埚是采用与活泼金属不发生化学反应的材料制成的坩埚，选用氧化铝坩埚，或氮化硅坩埚，或氮化铝坩埚，或氮化硼坩埚，或碳化硅坩埚。