[发明专利]一种熔融态无机盐反应床制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料制备领域，特别涉及一种制备石墨烯材料的方法。

背景技术

2004年Geim等利用胶带在天然石墨上反复剥离制得石墨烯以来，石墨烯因其独特的单层片状六角蜂巢晶格结构在科学界引起前所未有的轰动，其独一无二的优异性能和巨大的潜在应用价值更是引起了全世界广泛关注。从化学键合方式上，构成石墨烯二维结构的碳原子以sp²方式杂化，这种杂化方式使得碳原子与相邻的三个碳原子通过σ键形成稳定的C-C键，赋予了石墨烯极高的力学性能。同时在垂直于石墨烯平面上大量碳原子提供的π电子离域形成大π键，电子可以在其中自由移动，因此石墨烯通常都具有优异的导电性。比如石墨烯是一种零带隙半导体，电子在其中运动速度可达光速的1/300，石墨烯载流子迁移速率高达2×10⁵cm²·V^-1·S^-1等。此外，石墨烯还具有较好的热学性能和磁学性能。石墨烯较高的比表面积使其在超级电容器，储氢，单分子化学传感器等领域具有巨大的潜在应用。

目前，氧化石墨还原法为制备石墨烯的主要方法，该方法是将石墨进行强氧化处理，得到氧化石墨烯后再对其进行剥离制备氧化石墨烯，最后经过还原处理得到石墨烯。由于在强氧化过程中会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，石墨烯片层的电子共轭结构得到部分恢复，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在较大的差距。此外，石墨的氧化过程通常需要大量的强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸和高猛酸钾等，而且还原过程中还需要水合肼或者硼氢化钠等有毒化学物质，不仅能耗大、效率低下、成本高而且污染严重。如发明专利CN102897756、CN102897757等。外延生长法制备石墨烯需要在高温下，充入碳源气体(甲烷、乙烷、乙炔等)，气体分解并在基底形成石墨烯，该方法需要1000度以上的高温，且需要氢气作为还原性气体，对生产条件要求严格，反应时间长，产率低下，且大量危险气体的使用增加了生产成本也限制了石墨烯的进一步应用。且石墨烯从基底(如铜、镍、碳化硅等衬底)上剥离也十分困难，往往采用强酸腐蚀、高温气化等极端方法，不仅成本高、环境污染大、也损伤了石墨烯成品。如发明专利CN102903616、CN102891074等。

石墨烯这种特殊的结构使其具有优异的理化性能，如何使其在宏观结构或功能材料中得以利用现今科学界关注的焦点。但由于石墨烯在基体中分散不好，很难达到均一；加之石墨烯一般难于和基体形成强的界面结合，从而成为困扰石墨烯复合材料发展的难题。

作为定向生长，分布均匀的石墨烯，可以根据需要设计制备成各种形状的定向石墨烯阵列，在应用中可以有效避免分散难的问题，并能够充分发挥石墨烯沿平面优异的性能，使其具有广阔的应用前景。

因此，迫切需要开发一种采用新型原料的、方法简单易行、对设备无特殊要求、成本低、效率高、零污染、零排放、易推广使用、能解决现有石墨烯制备技术中存在的成本高、效率低、质量差、分散差、相容性差等问题，并可得到具有高度平面取向的石墨烯材料的方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种熔融态无机盐反应床制备石墨烯的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种熔融态无机盐反应床制备石墨烯的方法，以酞菁类物质为反应原料，在无机盐反应床中，将无机盐与酞菁类物质混合均匀，于气氛炉中，在保护气体下，采用程序升温方法，裂解并析出得到高度平面取向石墨烯类材料。

进一步地，所述酞菁类物质包括非金属酞菁类物质、金属酞菁类物质、金属氧化物酞菁类物质、含有酞菁环结构的高分子和含类酞菁环结构的卟啉类聚合物。

进一步地，所述无机盐反应床为耐高温的容器装填无机盐；所述无机盐为钠盐、钾盐、硫酸盐、盐酸盐、硝酸盐的一种或几种的混合。

进一步地，酞菁类反应原料与无机盐的质量比为1:99-10:90。

进一步地，所述将无机盐与反应原料混合均匀，方法为：酞菁类物质与无机盐在升温前混合均匀或在无机盐熔融后，将酞菁类物质均匀加入无机盐反应床中。

进一步地，所述保护气体为氮气、氩气、氩气/氢气混合气、氩气/氨气混合气、氮气/氢气混合气、氮气/氨气混合气之一，保护气体流速控制在10-50cm³·min^-1之间。

进一步地，所述混合气体积比为0.1:9.9-1:9。

进一步地，所述裂解温度为800-1000℃，裂解时间为4-24h。