專(zhuān)利名稱(chēng)：以石灰石為原料制備石墨烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以石灰石為原料制備石墨烯的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由單層碳原子緊密堆積而成得到的一種新型炭材料，是自然界中最薄的材料。石墨烯是由碳原子通過(guò)SP2雜化構(gòu)成的蜂窩狀二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其厚度僅為O. 335nm, 碳原子間通過(guò)很強(qiáng)的δ鍵相連接，每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵π電子，這些π電子在與平面垂直的方向形成η軌道。η電子在晶體中自由移動(dòng)，使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。石墨烯具備許多超越傳統(tǒng)石墨-炭材料的特殊性質(zhì)，是人類(lèi)已知的強(qiáng)度最高，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性最好的材料。實(shí)現(xiàn)石墨烯在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，規(guī)?；苽涓咂焚|(zhì)的石墨烯是目前研究的熱點(diǎn)。在迄今為止的石墨烯的合成方法中，機(jī)械剝離法對(duì)設(shè)備的要求高，而且無(wú)法可靠地制造出大尺度的石墨烯樣品；外延取向生長(zhǎng)法需要使用昂貴的稀有金屬且反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)條件苛刻；化學(xué)氣相沉積法也需要高溫條件，而且產(chǎn)量低，因此也不適合大批量生產(chǎn)；氧化石墨的化學(xué)還原法，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，產(chǎn)量大，成本低，但在此方法中需要將所得的氧化石墨烯進(jìn)行還原，現(xiàn)在常用的還原方法是利用水合肼或硼氫化鈉，但這些化學(xué)物質(zhì)對(duì)操作人員和環(huán)境是有害的。石灰石在地球上的儲(chǔ)量豐富，而且價(jià)格低廉。鎂的儲(chǔ)量也很豐富，鎂是地殼中平均儲(chǔ)量最豐富的輕金屬元素，我國(guó)的鎂資源儲(chǔ)量居世界首位。因此本發(fā)明提出了用金屬鎂還原新生態(tài)的二氧化碳來(lái)制備石墨烯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)在制備石墨烯的過(guò)程中使用高毒性的化學(xué)藥品， 成本高和工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種以石灰石為原料制備石墨烯的方法。一種用金屬鎂還原新生態(tài)的二氧化碳來(lái)制備石墨烯的方法。確切地說(shuō)是利用高溫裂解石灰石產(chǎn)生二氧化碳，用鎂粉將其原位還原來(lái)制備石墨烯。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種以石灰石為原料制備石墨烯的方法，其主要特點(diǎn)在于包括下述步驟I)將質(zhì)量比為100 48-55的碳酸鈣和金屬鎂粉的粉末混合研磨，研磨時(shí)間為 10 40分鐘；2)將步驟I)的粉料裝入高溫爐內(nèi)，在氬氣60-65ml/min的保護(hù)下4 6小時(shí)內(nèi)升溫到800 1100°C，在800 1100°C下反應(yīng)30 60分鐘，然后在氬氣的保護(hù)下冷卻到室溫，即得到灰色的粉末；3)將所得灰色粉末與氫離子濃度為2 6摩爾/升的酸溶液反應(yīng)20 40分鐘， 然后用蒸餾水清洗至中性，即得到高純度的石墨烯。所述的以石灰石為原料制備石墨烯的方法，所述的酸為硫酸或硝酸或鹽酸。金屬鎂的熔點(diǎn)是648. 9°C，碳酸鈣的熱分解溫度是825°C，所以在碳酸鈣分解釋放出二氧化碳之前，金屬鎂是以液態(tài)的形式存在，熔融的金屬鎂粘度很低，可以在碳酸鈣表面充分的延展開(kāi)來(lái)。液態(tài)金屬鎂納米薄膜將碳酸鈣顆粒包覆，當(dāng)達(dá)到碳酸鈣的熱分解溫度時(shí)， 新生態(tài)的二氧化碳與金屬鎂發(fā)生原位反應(yīng)，即二氧化碳被還原生成石墨烯。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于制備工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，原材料來(lái)源廣泛，成本低， 安全性高，綠色環(huán)保。


圖I為在1000°C下反應(yīng)40分鐘，得到的石墨烯SEM圖。圖2為在1000°C下反應(yīng)40分鐘，得到的石墨烯TEM圖。圖3為在1000°C下反應(yīng)40分鐘，得到的石墨烯Raman譜圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :一種以石灰石為原料制備石墨烯的方法，包括下述步驟I)將質(zhì)量比大于為100 48的碳酸鈣和金屬鎂粉的粉末混合研磨，研磨時(shí)間為 30分鐘；2)將步驟I)的粉料裝入高溫爐內(nèi)，在氬氣60ml/min的保護(hù)下6小時(shí)內(nèi)升溫到 1000°C，在1000°C下反應(yīng)40分鐘，然后在氬氣的保護(hù)下冷卻到室溫，即得到灰色的粉末；3)將所得灰色粉末與氫離子濃度為3摩爾/升的鹽酸溶液反應(yīng)20分鐘，然后用蒸餾水清洗至中性，即得到高純度的石墨烯。然后用蒸餾水清洗至中性，即得到高純度的石墨烯。所得石墨烯SEM如圖I所示，TEM如圖2所示，Raman光譜圖如圖3所示。拉曼光譜是表征炭材料的一個(gè)強(qiáng)有力的非破壞性工具。在區(qū)分有序和無(wú)序碳晶體結(jié)構(gòu)上可以說(shuō)明。石墨被氧化，一部分SP2雜化碳原子轉(zhuǎn)化成SP3雜化結(jié)構(gòu)，石墨層中的共軛結(jié)構(gòu)被部分破壞，石墨的拉曼光譜在1584cm-l附近有G峰，G峰是由碳環(huán)或長(zhǎng)鏈中的SP2 雜化結(jié)構(gòu)原子對(duì)的拉伸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。石墨烯在1326cm-l附近又出現(xiàn)D峰，與SP3雜化結(jié)構(gòu)相關(guān)。在2649cm-l為G’峰，表明所得石墨烯為多層石墨烯。JEOL JSM-6700F掃描電鏡(SEM)，掃描電鏡圖可以直觀的反映出石墨烯的形貌特征，是石墨烯表征的一種重要工具。JEOL JEM-2100F高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)。在HRTEM下，可以清晰的看到石墨烯呈輕紗狀半透明片狀結(jié)構(gòu)分布，可以大致估算出石墨烯片的尺度。實(shí)施例2 :—種以石灰石為原料制備石墨烯的方法，包括下述步驟I)將質(zhì)量比大于為100 52的碳酸鈣和金屬鎂粉的粉末混合研磨，研磨時(shí)間為 40分鐘；2)將步驟I)的粉料裝入高溫爐內(nèi)，在氬氣62ml/min的保護(hù)下5小時(shí)內(nèi)升溫到 800°C，在800°C下反應(yīng)60分鐘，然后在氬氣的保護(hù)下冷卻到室溫，即得到灰色的粉末；3)將所得灰色粉末與氫離子濃度為2摩爾/升的硫酸溶液反應(yīng)40分鐘，然后用蒸餾水清洗至中性，即得到高純度的石墨烯。實(shí)施例3 :—種以石灰石為原料制備石墨烯的方法，包括下述步驟I)將質(zhì)量比大于為100 55的碳酸鈣和金屬鎂粉的粉末混合研磨，研磨時(shí)間為30分鐘；2)將步驟I)的粉料裝入高溫爐內(nèi)，在氬氣65ml/min的保護(hù)下4小時(shí)內(nèi)升溫到 1100°C，在1100°C下反應(yīng)30分鐘，然后在氬氣的保護(hù)下冷卻到室溫，即得到灰色的粉末；3)將所得灰色粉末與氫離子濃度為4摩爾/升的硝酸溶液反應(yīng)30分鐘，然后用蒸餾水清洗至中性，即得到高純度的石墨烯。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種以石灰石為原料制備石墨烯的方法，其特征在于包括下述步驟1)將質(zhì)量比為100 48-55的碳酸鈣和金屬鎂粉的粉末混合研磨，研磨時(shí)間為10 40分鐘；2)將步驟I)的粉料裝入高溫爐內(nèi)，在氬氣60-65ml/min的保護(hù)下4 6小時(shí)內(nèi)升溫到 800 1100°C，在800 1100°C下反應(yīng)30 60分鐘，然后在氬氣的保護(hù)下冷卻到室溫，即得到灰色的粉末；3)將所得灰色粉末與氫離子濃度為2 6摩爾/升的酸溶液反應(yīng)20 40分鐘，然后用蒸餾水清洗至中性，即得到高純度的石墨烯。
2.如權(quán)利要求I所述的以石灰石為原料制備石墨烯的方法，其特征在于所述的酸為硫酸或硝酸或鹽酸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以石灰石為原料制備石墨烯的方法。一種以石灰石為原料制備石墨烯的方法，其主要特點(diǎn)在于包括下述步驟將質(zhì)量比為100∶48-55的碳酸鈣和金屬鎂粉的粉末混合研磨，研磨時(shí)間為10～40分鐘；將步驟1)的粉料裝入高溫爐內(nèi)，在氬氣60-65ml/min的保護(hù)下4～6小時(shí)內(nèi)升溫到800～1100℃，在800～1100℃下反應(yīng)30～60分鐘，然后在氬氣的保護(hù)下冷卻到室溫，即得到灰色的粉末；將所得灰色粉末與氫離子濃度為2～6摩爾/升的酸溶液反應(yīng)20～40分鐘，然后用蒸餾水清洗至中性，即得到高純度的石墨烯。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于制備工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，原材料來(lái)源廣泛，成本低，安全性高，綠色環(huán)保。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102583357SQ20121008228
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者張桂蘭, 王萬(wàn)平, 趙建國(guó) 申請(qǐng)人:方大炭素新材料科技股份有限公司