[发明专利]一种煤基原料制备多层石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，涉及一种煤基原料热解制备多层石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种新型两维结构的碳材料，由sp²碳原子紧密排列形成蜂巢状结构，是一种最新发现的碳的单质。石墨烯是目前所知的最薄、强度最大的材料，具有优良的导电、导热能力和光学性能。石墨烯的这些优良性能使其在众多领域都有潜在的应用前景，成为近期材料研究的热点。

石墨烯的研究和应用对其制备方法提出了迫切要求。目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、热膨胀石墨法、氧化石墨还原法和气相化学沉积法等方法。其中，微机械剥离法和热膨胀石墨法效率低、产量小，只能限于实验室小规模实验；氧化石墨还原法虽然可大批量制备，但氧化还原过程引入大量缺陷，严重影响其物理及化学性能，特别是导电性能；气相化学沉积法工艺复杂，制备条件苛刻，不适于大批量地成本生产。因此，目前低成本获得大批量的石墨烯产品还存在一定困难。

我国煤炭资源丰富、价格低廉，含有缩合芳香环等基本结构单元和作为催化剂的矿物质等，这些特点决定了煤基材料可以作为制备石墨烯的碳源材料。目前，大量文献报道使用煤或焦炭来制备富勒烯和碳纳米管，主要使用电弧法。而以煤基材料制备石墨烯的国内外公开报道和文献尚没有发现。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、环境友好、原料易得、转化率高的可用于大规模工业生产制备多层石墨烯的方法。

本发明所提供的多层石墨烯制备方法是将煤基原料与催化剂混合微波加热直接制备多层石墨烯粉体，包括以下步骤：

（1）将煤基原料和催化剂按照质量量比100：0.001至100：1研磨混合均匀；

（2）煤基原料可选择原煤、焦炭、焦油渣、精煤或低灰分煤等煤炭原料；

（3）催化剂可选择铁粉、镍粉等金属催化剂；

（4）将煤基原料和催化剂混合均匀后，放入吸收微波材料制备的容器中；

（5）将装有煤基原料的容器放入微波反应器中，微波加热5-50分钟得到多层石墨烯产物；

（6）将产物使用酸洗，去除金属催化剂及煤基原料中的矿物质，最后得到高纯度的多层石墨烯产物。

本发明使用煤基原料制备多层石墨烯，通过拉曼光谱、XRD、透射电镜等分析方法，对产物进行了表征，证明了通过本方法可以制备多层石墨烯粉体。

本发明提供了一种制备多层石墨烯的方法，与常规方法相比，此制备方法具有以下优点：

（1）步骤简单，易于操作，适合大规模工业化生产；

（2）原料来源广泛，价格低廉；

（3）微波加热反应速度快，无需惰性气体保护，能耗低。

附图说明

图1为本发明使用的微波加热示意图。

图2为本发明实施例1制备的多层石墨烯产物的拉曼光谱图。

图3为本发明实施例1制备的多层石墨烯产物的XRD谱图。

图4为本发明实施例1制备的多层石墨烯产物的透射电镜照片。

图5为本发明实施例2制备的多层石墨烯产物的拉曼光谱图。

图6为本发明实施例2制备的多层石墨烯产物的XRD谱图。

图7为本发明实施例2制备的多层石墨烯产物的实物照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

将3.0克原煤和0.1克铁粉研磨混合均匀后，装入小坩埚，再将小坩埚放入装有石墨粉的大坩埚中，石墨烯吸收微波快速加热坩埚，使用900瓦微波炉加热反应0.5小时，反应结束后自然降温至室温，坩埚中收集产物，并用盐酸和氢氟酸依次清洗去除无机盐杂质。图1为微波反应示意图。在上述条件下，多层石墨烯的产量为1.0克；拉曼光谱（见图2）显示该样品具有石墨烯材料所具有的G峰、D峰和2D峰；氮气吸附分析显示其比表面积为530m²/g，说明产物具有较大的比表面积；从产物的XRD图（见图3）可知，产物具有石墨烯所特有的宽化的衍射峰；图4显示为产物的透射电镜照片，可以清楚看到氮掺杂石墨烯产物为薄纱状。

实施例2：

将5.0克焦油渣和和0.01克三聚氰胺研磨混合均匀后，装入套有吸波石墨粉的坩埚中，使用900瓦微波炉加热反应0.5小时，反应结束后自然降温至室温，坩埚中收集产物，并用盐酸和氢氟酸依次清洗去除无机盐杂质。在上述条件下，多层石墨烯的产量为1.2克；拉曼光谱（见图5）显示该样品具有石墨烯材料所具有的G峰、D峰和2D峰；氮气吸附分析显示其比表面积为578m²/g，说明产物具有较大的比表面积；从产物的XRD图（见图6）可知，产物具有石墨烯所特有的宽化的衍射峰；图7为多层石墨烯产物的实物照片。