[发明专利]一种以无烟煤为原料制备石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种以无烟煤为原料制备石墨烯的方法，其包括步骤：1)石墨化：将无烟煤放入石墨化炉中，制备煤基石墨；2)石墨氧化，将步骤1)制备的煤基石墨与酸在冰水浴中混合，加入氧化剂和表面改性剂，搅拌均匀得混合物；将所得混合物升温至45～95℃并持续搅拌0.5～2h，随后加入去离子水水解，反应稳定后加入双氧水，过滤，得滤饼；将所得滤饼洗涤至滤饼中所加酸的酸根离子含量不大于100ppm，将洗涤后的滤饼干燥，得氧化石墨；3)石墨还原：将步骤2)制备的氧化石墨还原，制备石墨烯。本发明采用无烟煤制备成功制备石墨烯，降低了成本，提高了石墨烯产率。

技术领域

本发明涉及制备石墨烯的方法，具体而言，本发明涉及一种以无烟煤为原料制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种技术含量高、应用潜力广泛的碳材料，主要应用于透明电极、传感器、超级电容器以及能源存储等。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、取向附生法、加热SiC法、氧化还原方法、石墨插层法、电弧法、热膨胀剥离法等，目前石墨烯的大批量制备工艺主要采用氧化还原方法。所述氧化还原方法包括以下步骤：1)石墨化：以煅后石油焦为原料，首先将煅后石油焦制备成高纯石墨；2)石墨氧化：使高纯石墨在溶液中与氧化剂反应，氧化后的高纯石墨片层间带有羰基、羟基等基团，使石墨层间距变大成为氧化石墨。3)石墨还原：氧化石墨经过超声波震荡处理，在水溶液或者有机溶剂中分散成均匀的单层氧化石墨烯溶液，再用硼氢化钠去除氧化石墨烯上的部分含氧官能团，然后对氧化石墨烯进行磺化处理，防止石墨烯团聚，最后用肼还原去除剩余的含氧官能团便得到成品的石墨烯。这种方法简便且成本较低，可以制备出大量石墨烯。但是，随着石油供应量的日益紧张，提炼工艺技术的改进，石油焦作为石油的副产品，供应量逐渐减少，品质降低，价格逐年攀升。因此，根据石墨的市场需求量，寻找新的原料替代品刻不容缓。

现有技术制备石墨烯,有如下两个缺点：

(1)由于煅后石油焦制成的高纯石墨天然的缺陷(石墨晶体结晶度不高、完整片层结构较少)，导致制备出的石墨烯片层结构缺陷较多，质量不够理想；并且

(2)煅后石油焦制备高纯石墨的成本较高。

因此，有必要提供一种新的制备石墨烯的方法。

发明内容

本发明提供了一种以无烟煤为原料制备石墨烯的方法，以解决现有技术中石墨烯制备成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种以无烟煤为原料制备石墨烯的方法，其包括以下步骤：

1)石墨化：将无烟煤放入石墨化炉中，制备煤基石墨；

2)石墨氧化，包括：

a、将步骤1)制备的煤基石墨与酸在冰水浴中混合，加入氧化剂和表面改性剂，搅拌均匀得混合物；

b、将步骤a所得混合物升温至45～95℃并持续搅拌0.5～2h，随后加入去离子水水解，反应稳定后加入双氧水，过滤，得滤饼；

c、将步骤b所得滤饼洗涤，以除去滤饼中步骤a所加酸的酸根离子，将洗涤后的滤饼干燥，得氧化石墨；

3)石墨还原：将步骤2)制备的氧化石墨还原，制备石墨烯。

在本发明中，步骤1)为利用无烟煤制备煤基石墨，其具体过程为本领域所熟知，优选地，在本发明中，制备煤基石墨的条件为：石墨化炉内排除氧气，通入惰性气体作为保护气体，温度在2900℃～3400℃，优选3000℃～3300℃，更优选3200～3300℃，煅烧3～6h。

在本发明中，所述表面改性剂用于改善氧化剂与石墨片层的相容性，优选地，所述表面改性剂选自马来酸酐、乙二胺四乙酸(EDTA)和十二烷基苯磺酸中的一种或多种，其用量为所述氧化剂质量的0.8～1.2倍，优选等于所述氧化剂的质量。