[发明专利]石墨烯的生态友好生产

说明书

提供了一种直接由纸浆、纸或纸产品生产石墨烯的方法，所述方法包括在1,500℃至3,400℃范围内(优选>2,500℃)的石墨化温度下在基本上非氧化的环境中使所述纸浆、纸或纸产品(优选包括消费后的、再生的或回收的产品)经受石墨化处理持续足以将所述产品转化为石墨烯材料产品的一段时间的程序。优选且典型地，所述方法不涉及使用外部添加的不希望的化学品(除了已存在于纸产品中的那些纸化学品之外)或催化剂。所述方法是对环境友好的、生态友好的、且高度可规模化的。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月11日提交的美国专利申请号15/484,546的优先权，所述专利申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明提供了一种对环境友好且生态友好的生产石墨烯材料的方法。所述方法需要在一个步骤中进行纸产品(特别是消费后的、再生的或者回收的纸产品)的热转化，显著缩短了生产石墨烯的时间，并且避免了使用不希望的化学品。

背景技术

单层石墨烯片由占据二维六方晶格的碳原子构成。多层石墨烯是由多于一个碳原子石墨烯平面构成的片晶。单独的单层石墨烯片和多层石墨烯片晶在本文中统称为纳米石墨烯片晶(NGP)或石墨烯材料。NGP包括原生石墨烯(基本上99％的碳原子)、轻度氧化的石墨烯(<5％的氧，按重量计)、氧化石墨烯(≥5％的氧，按重量计)、轻度氟化的石墨烯(<5％的氟，按重量计)、氟化石墨烯((≥5％的氟，按重量计)、其他卤化石墨烯、氢化石墨烯、以及化学官能化石墨烯。

已经发现石墨烯具有一系列特殊的物理、化学和机械特性。例如，发现石墨烯展现出所有现有材料的最高固有强度和最高热导率。尽管未预想石墨烯的实际电子器件应用(例如，替换Si作为晶体管中的骨架)在未来5-10年内发生，但其作为纳米填料在复合材料中以及作为电极材料在储能器件中的应用即将到来。大量可加工的石墨烯片的可用性对于成功开发石墨烯的复合材料、能量和其他应用是至关重要的。

我们研究小组是世界上最先发现石墨烯[B.Z.Jang和W.C.Huang,2014年6月10日公布的“Nano-scaled Graphene Plates[纳米级石墨烯板],”美国专利申请US20130087446；现为美国专利号7,071,258(07/04/2006)]。最近，我们综述了生产NGP和NGP纳米复合材料的方法[Bor Z.Jang和A Zhamu,“Processing of Nano Graphene Platelets(NGPs)and NGP Nanocomposites:A Review[纳米石墨烯片晶(NGP)和NGP纳米复合材料的加工：综述]”,J.Materials Sci.[材料科学杂志]43(2008)5092-5101]。已遵循四种主要的现有技术方法来生产NGP。如下简要概述它们的优点和缺点：

方法1：氧化石墨(GO)片晶的化学形成和还原

第一种方法(图1)需要用插层剂和氧化剂(例如，分别为浓硫酸和硝酸)处理天然石墨粉末以获得石墨插层化合物(GIC)或实际上氧化石墨(GO)。在插层或氧化之前，石墨的石墨烯平面间间距为大约0.335nm(L_d＝1/2d₀₀₂＝0.335nm)。通过插层和氧化处理，石墨烯平面间间距增加到典型大于0.6nm的值。这是石墨材料在该化学路线过程中经历的第一膨胀阶段。然后使用热冲击暴露方法或者基于溶液的超声处理辅助的石墨烯层膨化方法使所获得的GIC或GO经受进一步膨胀(通常称为膨化)。