[发明专利]一种石墨烯粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳结构材料的制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构材料，因其高强度、高热导率、高导电性及高比表面积等优点受到了研究者的广泛重视。目前制备石墨烯的方法主要有：机械剥离法、溶剂剥离法、晶体外延生长法、化学气相沉积法及氧化石墨热膨胀法等。机械剥离法和溶剂剥离法产生的石墨烯片的效率很低；晶体外延生长法和化学气相沉积法适用于大面积石墨烯薄膜的制备，无法满足纳米复合材料领域对小尺寸石墨烯材料的要求，且该方法的操作复杂、成本较高；氧化石墨热膨胀虽然能够以较低的成本制备出大量的石墨烯，但石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂的破坏，造成较大的缺陷。最近，有研究发现金属镁在干冰中燃烧能够较高产量的制备石墨烯，为石墨烯的制备提供了新的途径。但该方法也存着以下不足：首先，干冰在常压下于零下78.5℃的温度下稳定存在，常温下易受热升华，给运输、储存和使用都带来很多不便；其次，镁在干冰中燃烧时，反应放热，会导致大量干冰升华，若反应在常压下进行，则造成反应物干冰的大量浪费，若反应在密闭容器中进行，则在反应过程中容器内压强迅速增大，需设计高压反应设备，增加成本。

发明内容

本发明是要解决现有石墨烯的制备方法无法同时具备原料易保存运输、操作方法简单、成本低、可连续生产、环保的优点的问题，本发明提供了一种石墨烯粉体的制备方法。

本发明的一种石墨烯粉体的制备方法按以下步骤进行：

一、按质量百分比称取20%~40％的镁粉和60%~80%的碳酸盐粉末；其中，所述镁粉的纯度为95~99.999％，平均颗粒直径为0.03~5mm；碳酸盐粉末的纯度为90~99.9％，平均颗粒直径0.01~5.2mm；碳酸盐为碳酸镁、碳酸钙、碳酸锶其中的一种，或几种的任意比例混合物；

二、将步骤一称取的镁粉和碳酸盐粉末置入球磨机中，进行干法研磨或湿法研磨，得到混合粉体；其中，干法研磨的条件为：在空气气氛、氮气气氛或氩气气氛中进行研磨，研磨时间为0.5~30h；湿法研磨的条件为：在空气气氛、氮气气氛或氩气气氛中，以甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丁醇或丙酮为介质，研磨0.5~30h后取出，在空气气氛、氮气气氛、氩气气氛或真空条件下进行烘干，烘干温度为30~90℃；

三、将步骤二得到的混合粉体进行高压燃烧合成反应或常压燃烧合成反应，得到石墨烯粉体。

本发明利用金属镁在二氧化碳中燃烧生成石墨烯的基本原理，使点火剂燃烧释放出热量，该热量可使临近点火点的碳酸盐分解，释放出二氧化碳，二氧化碳又可支持反应物中的镁燃烧释放热量，进一步使临近的碳酸盐分解，如此使反应不断进行下去，直至反应体系中的金属镁反应完全。本发明以碳酸盐作为碳源，碳酸盐常温下稳定，易于保存和运输；碳酸盐经燃烧反应，分解产生的二氧化碳能立刻与反应物中的金属镁反应，不会大量扩散到反应体系中，降低了对设备压力的要求，易于反应操控和连续化生产；无需外界输入大量能量，降低了制备成本，适合大规模工业化生产；燃烧反应的副产物可回收利用，燃烧产物经酸洗产生的酸洗液中主要为镁、钙、锶的离子盐，可用于吸收空气或工厂废气中的二氧化碳，生成难溶的碳酸盐，继续用于燃烧合成制备石墨烯，实现二氧化碳的固定和反应副产物的循环利用；本发明制备的石墨烯粉体为10层以下的少层石墨烯，其拉曼光谱的2D峰（2692cm^-1）峰型对称并且峰位相对于石墨的2D峰位（2740cm^-1）明显向低波段移动；其缺陷较少，其D峰（1339cm^-1）比G峰（1572cm^-1）强度低；其厚度小，厚度主要集中在0.335~3.35nm。

本发明适用于石墨烯的工业化生产。

附图说明

图1为试验一得到的石墨烯粉体的拉曼光谱图；

图2为试验一得到的石墨烯粉体的透射电镜照片。

具体实施方式

本发明的技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的一种石墨烯粉体的制备方法，是通过以下步骤实现的：

一、按质量百分比称取20%~40％的镁粉和60%~80%的碳酸盐粉末；其中，所述镁粉的纯度为95~99.999％，平均颗粒直径为0.03~5mm；碳酸盐粉末的纯度为90~99.9％，平均颗粒直径0.01~5.2mm；碳酸盐为碳酸镁、碳酸钙、碳酸锶其中的一种，或几种的任意比例混合物；