[发明专利]用富碳天然材料大量制备石墨烯和氧化石墨烯的低成本和快速方法及其应用

说明书

本发明提供了一种由石墨、煤渣、沥青和其他富碳市售天然材料制备大量石墨烯层和大量氧化石墨烯层的创新方法。本发明使用可控的微波辐射来加热碱、石墨或煤渣或沥青的混合物，或它们与离子液体和表面活性剂加上环境友好氧化剂的组合。本发明可在1‑300秒钟的短时间内产生石墨烯层和氧化石墨烯的所述产物。与现有技术不同，本发明不涉及任何浓硫酸、硝酸，也不需要巨量的水来进行纯化。制得的石墨烯基材料可用于制备用于触摸屏的导电膜，制备石墨烯碳纤维和三维多孔石墨烯纳米材料，以及制备用于超轻型机器和交通工具的石墨烯基智能纳米复合材料。

发明人：Tingying Zeng，Kevin Zeng Qi

转让给Green NanoTech Labs，LLC。2016年4月13日

发明领域

本发明主要涉及使用以前报道过的天然富碳材料来大量地制备石墨烯和氧化石墨烯多层材料的创新技术及其在不同领域的应用方法。此发明还提供了由富碳固体废弃物如煤渣和沥青制备先进的石墨烯纳米材料及其令人兴奋的新应用方法。

背景

在整个石墨烯领域，传统和著名的Hummer方法已被广泛用于在实验室和许多公司中商业化合成石墨烯层和氧化石墨烯。然而，此生产工艺使用强酸如硝酸、硫酸和强氧化剂如KMnO₄、P₂O₅、K₂S₂O₈等，从而大量地释放热量和气体而曾引起反应釜爆炸。产物的纯化通常需要使用离心机，并且必须使用大量的水来从石墨烯产物中洗去强酸。因此，强酸是该方法中的大量废弃产物。此外，反应时间至少需要一天。这是一种我们必须加以克服的耗时且高能量需求的方法。不同研究组已使用许多其他方法来试图代替Hummer方法，例如电化学剥离、用高铁酸钾来代替用于在硫酸中一步氧化的KMnO₄，以及在离子液体中微波辐射辅助。这些方法中，它们要么存在耗时和产生废酸的问题，离心纯化设施的成本高，要么离子液体材料的昂贵原料存在商业化瓶颈的问题(参见：目前的1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐：961美元/50克，Sigma-Aldrich)。

为了克服作为传统石墨烯制备方法中的显著污染、高能量需求和耗时问题，我们的本发明提供了一种创新技术，其使用天然富碳固体材料，将其与特定的低成本添加剂和微波辐射工艺相结合，从而形成快速的绿色化学工艺法、大量地制备石墨烯和氧化石墨烯并用于不同的领域，这个发明不涉及强酸，不需要离心技术，且不需要大量的水。处理时间为秒到分钟的范围，这可大大降低生产成本。

发明简述

本发明本质上使用了石墨、煤渣、沥青和其他富碳市售材料。其通常使用可控的微波辐射来加热碱、石墨或煤渣或沥青的混合物，或它们与离子液体和表面活性剂加上环境友好氧化剂的组合。本发明可在短时间内(例如约1秒钟至60分钟)产生石墨烯层和氧化石墨烯的所述产物。其不涉及任何浓硫酸、硝酸，也不需要巨量的水来进行纯化。作为非限制性实例，制得的石墨烯基材料可用于连续制备用于触摸屏的导电膜，以成本效益的方式制备石墨烯碳纤维和三维多孔石墨烯纳米材料，以及制备用于超轻型机器和交通工具的石墨烯基智能纳米复合材料。本发明可逐步开发显著更多的潜在应用。

本发明提供了一个为先进石墨烯和基于此的纳米材料以及用于不同应用的氧化石墨烯和基于此的纳米材料的低成本、节能、更绿色的化学制备方法的途径，一步形成高质量的石墨烯层和氧化石墨烯层及其混合的石墨烯材料。

本发明的目的是提供一种由一层至数层制备方法制备石墨烯和氧化石墨烯层的方法。

本发明的另一个目的是提供大量利用煤渣和沥青废弃物的方法。

本发明的另一个目的是使用微波反应器在一个步骤中工业制备石墨烯和氧化石墨烯，而不产生现有方法那么多的释放到环境中的废弃物和污染。

本发明的另一个目的是显著减少制备所设计的产品所需的生产时间。