[发明专利]一种水为保护介质的爆轰法制备石墨烯

说明书

本发明提供一种水为保护介质的爆轰法制备石墨烯。将一阶三氯化铁石墨插层化合物和炸药制成药柱，置于爆炸反应釜中，注入足量水做保护介质，升高温度至水的沸点以上，点火引爆药柱，爆炸带来的高温使三氯化铁分解气化，水吸收热量迅速转化为超临界状态，可以持续剥离石墨片层。本发明方法中水可利用爆炸带来的热量进入超临界状态，持续将爆炸产生的热量传输给未分解完全的氯化铁分子，并同时利用超临界流体自身特点继续剥离石墨片层，可高效制备少层石墨烯，绿色环保，步骤简单。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，尤其涉及一种以水为保护介质的爆轰法来剥离一阶石墨插层化合物制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种完全由碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有最薄、最牢固、高硬度、高导热系数、高电子迁移率、几乎完全透明等特性，可用来发展更薄且导电速度更快的新一代电子元件、透明触控屏幕、气体传感器、复合材料、场发射材料等，广泛应用于材料、微纳加工、生物医学、电子、能源、化工、轻工、军工、航天及国防等领域。

爆轰法利用炸药在爆炸瞬间释放出大量能量，化学爆炸反应一般在10^-5-10^-6s间完成，爆炸传播速度一般在2000m/s-9000m/s之间，爆炸时反应热一般为2900-6300kJ/kg，可产生2400-3400℃的高温，对周围物体产生强烈地破坏作用，反应速度快，能量密度高，做功强度大，在众多纳米材料的制备方法中独树一帜。近几十年来，许多研究工作者利用爆轰法制备出了金刚石、石墨、富勒烯碳、碳纳米管、石墨烯、碳包覆金属纳米材料、氮化硼等，研究了前驱体、催化剂、惰性介质、爆炸当量等对生成产物的种类、含量、尺寸、结构、形貌、物化性能的影响，对合成与制备机理做了广泛的分析。爆轰法是目前大量制备纳米碳材料的有效方法，制备过程经常用非氧化性气体(如CO₂、N₂等)作为冷却和保护介质，在随后的降温过程中，由于保护气氛的不同，则冷却速度不一样，冷却速度较快的，则大部分纳米碳材料结构的碳被保存下来，而冷却速度较慢的，则有部分纳米碳材料结构被氧化变成气体。在这两种惰性气氛中，CO₂气体的吸热大，故生成的纳米碳材料在其内的冷却速度最快，所以产率高。在N₂保护气氛中的冷却速度居中，在无惰性气氛真空条件下的冷却速度最小，所以纳米碳材料的产率在N₂中居中，在真空条件下最少。用水作为炸药爆轰法制备纳米碳材料的保护介质，由于水的比热大，可以使爆轰产物迅速、均匀冷却，爆轰分解出的游离碳快速进入稳定状态，从而提高纳米碳材料的得率。爆轰制备技术具有工艺简单、效率高等特点，在石墨烯制备领域具有广阔的研究及应用前景。但是，利用爆轰法高效制备少层石墨烯的报道非常少见。

超临界水的临界温度T＝374℃，临界压力P＝22.1Mpa，具有类似气体的扩散性质，其界面张力为零，“无孔不入”，容易实现石墨插层，将其应用于直接剥离法制备石墨烯，避免了使用大量有机溶剂，且经过简单的泄压操作即可实现产物分离，后续操作较液相剥离法大大简化。但是，仅仅依靠超临界流体的作用不足以将石墨直接剥离为单层/双层石墨烯。

发明内容

提出了一种水为保护介质的爆轰法制备石墨烯。首先制备稳定的一阶三氯化铁石墨插层化合物，目的是使爆轰法中插层剂分解产生的气体可以作用于所有相邻的石墨片层，从而为制备出层数更少的石墨烯提供必要条件；然后，将一阶三氯化铁石墨插层化合物和炸药制成药柱，置于爆炸反应釜中；其次，在爆炸反应釜内保护介质的容器中注入足量水，升高温度至水的沸点以上，但温度不能超过炸药的爆发点，使爆炸反应釜中水的压力靠近22.1MPa；最后，点火引爆药柱，爆炸带来的高温使三氯化铁分解气化，三氯化铁不仅失去其在常温下牢固链接相邻石墨片层的能力，还起到了扩大石墨片层距离，逐层气化剥离片层的作用，爆炸的冲击波也可以起到破坏片层与撕开片层的作用，另外，水吸收热量迅速转化为超临界状态，可以继续并持续剥离石墨片层。

本发明采用如下技术方案：