專利名稱：一種低成本瀝青基石墨烯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳素材料領(lǐng)域，具體涉及一種低成本浙青基石墨烯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯片是一種只有單層或幾層原子厚度的純碳原子結(jié)構(gòu)，其C-C鍵以Sp2結(jié)合，形成一個(gè)密集的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。由于它具有的獨(dú)特的二維碳納米微觀結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理屬性，因而其在物理學(xué)、材料學(xué)以及凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域引起了人們的廣泛興趣。目前以石墨烯片為基礎(chǔ)的材料有著廣泛的工業(yè)應(yīng)用范圍，如可用作吸附劑、藥物輸送、催化劑載體，熱傳輸媒體，可制成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子元件。特別地，隨著碳材料性能的不斷改進(jìn)，使其逐漸成為能源領(lǐng)域的主導(dǎo)，如在對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備要求高的氫儲(chǔ)存、燃料電池、太陽(yáng)能電池以及鋰離子電池、電容器等方面應(yīng)用廣泛。雖然石墨烯片的應(yīng)用廣泛，但它的許多應(yīng)用亟需實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、可重復(fù)地制備結(jié)構(gòu)規(guī)整、厚度和尺寸可控的高質(zhì)量石墨烯材料。目前用來(lái)制備石墨烯片的原料主要有兩大類:鱗片石墨和富碳材料。制備石墨烯片的方法主要有機(jī)械方法以及化學(xué)方法兩大類型，如微機(jī)械分離法，取向附生法、SiC或金屬基板上外延生長(zhǎng)、化學(xué)還原法與化學(xué)解理法、化學(xué)氣相沉積法等。然而，上述方法制備石墨烯片存在工藝復(fù)雜、成本高、環(huán)境污染等問(wèn)題，并且難以大量制備出石墨烯片，這極大阻礙石墨烯片的推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本浙青基石墨烯片及其制備方法，本發(fā)明的產(chǎn)品純度高，結(jié)構(gòu)缺陷少、制備成本低、操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種低成本浙青基石墨烯片的制備方法包括原料的混合、炭化、酸洗、球磨工藝，包括以下步驟:
(1)原料的混合
將浙青與添加劑按一定比例稱取，充分研磨后過(guò)篩；所用浙青為煤浙青、石油浙青、渣油浙青、合成浙青或中間相浙青，所用添加劑為鐵粉、銅粉、硅粉、鋁粉、氧化鋁、氧化鎂、氧化鐵、二茂鐵、氧化鈣或氧化銅；混合工藝參數(shù)為:
原料粒度:60-300目
浙青與添加劑的質(zhì)量比為100:1 100:100 添加劑的純度:大于99% ；
(2)低溫炭化
將步驟(1)混合好的原料放入氣氛爐中，然后以一定的升溫速率升溫至預(yù)定溫度后保持一段時(shí)間，冷卻至室溫取出；低溫炭化工藝參數(shù)為:
升溫速率:2V /min -1OO0C /min 預(yù)定溫度:400°C -1OOO0C保溫時(shí)間:0.1h -1Oh 保護(hù)氣氛:N2或者Ar 氣體流量:50 ml ,/mi n - 200 ml ,/mi n ；
(3)高溫炭化
將步驟(2)所得到的產(chǎn)物放入真空爐中，然后以一定的升溫速率升溫至預(yù)定溫度后保持一段時(shí)間，冷卻至室溫取出；高溫炭化工藝參數(shù)為:
升溫速率:2°C /min - 50°C /min 溫度:1200°C - 2000°C 保溫時(shí)間:0.1 h - 10 h 真空度:1.0X KT1 Pa -1.0X IO3 Pa ；
(4)酸洗
將步驟(3)所得炭化產(chǎn)物置于一定pH值的酸液中并攪拌一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)濾分離后用去離子水充分洗滌至無(wú)Cl—或者F—檢測(cè)出，然后放入120°C烘箱中進(jìn)行干燥5 h ;酸洗工藝參數(shù)為:
酸液:鹽酸或氫氟酸 pH 值:1 -5
炭化產(chǎn)物與酸液的質(zhì)量比:1:3 1:10 攪拌時(shí)間:1 - 5h 攪拌速度:50 - 500轉(zhuǎn)/分；
(5)球磨
將步驟(4)所得產(chǎn)物放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨處理；球磨工藝參數(shù)為:
球磨時(shí)間:0.5 -1Oh 球磨轉(zhuǎn)速:50 - 500轉(zhuǎn)/分。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的產(chǎn)品純度高，結(jié)構(gòu)缺陷少、制備成本低、操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。


圖1為采用實(shí)施例1工藝制備的石墨烯片的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖片。圖2為采用實(shí)施例2工藝制備的石墨烯片的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖片。圖3為采用實(shí)施例3工藝制備的石墨烯片的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖片。圖4為采用實(shí)施例4工藝制備的石墨烯片的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖片。圖5為采用實(shí)施例5工藝制備的石墨烯片的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
將煤浙青與二茂鐵按100:1(質(zhì)量比)稱取，研磨至60目后放入氣氛爐中，并通入N2(N2流量為100mL/min)，以2V /min升溫至700°C后保溫5h，冷卻至室溫取出低溫炭化產(chǎn)物。將低溫炭化產(chǎn)物放入真空爐中(真空度1.0X IO3Pa),以50°C /min升溫至1900°C后保溫2h，冷卻至室溫取出高溫炭化產(chǎn)物。將高溫炭化產(chǎn)物置于pH值為I的鹽酸中(炭化產(chǎn)物與鹽酸的質(zhì)量比1:3)，攪拌Ih(攪拌速度50轉(zhuǎn)/分)，經(jīng)過(guò)濾分離后用去離子水充分洗滌至無(wú)Cl 一檢測(cè)出，置于120°C烘箱中進(jìn)行干燥5 h，然后放入球磨機(jī)中球磨5h (球磨轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分)，即獲得石墨烯片。所制備的石墨烯片具有如下性能:層數(shù)為10 20、含碳量98.5%、比表面積 26m2/g。實(shí)施例2
將中間相浙青與氧化鋁按100:100 (質(zhì)量比)稱取，研磨至100目后放入氣氛爐中，并通入Ar (Ar流量為50mL/min)，以5°C /min升溫至1000°C后保溫0.lh，冷卻至室溫取出低溫炭化產(chǎn)物。將低溫炭化產(chǎn)物放入真空爐中(真空度1.0X I(T1Pa),以20°C /min升溫至2000°C后保溫0.lh，冷卻至室溫取出高溫炭化產(chǎn)物。將高溫炭化產(chǎn)物置于pH值為3的鹽酸中(炭化產(chǎn)物與鹽酸的質(zhì)量比1:5)，攪拌4h (攪拌速度200轉(zhuǎn)/分)，經(jīng)過(guò)濾分離后用去離子水充分洗滌至無(wú)Cl —檢測(cè)出，置于120°C烘箱中進(jìn)行干燥5 h，然后放入球磨機(jī)中球磨2h(球磨轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分)，即獲得石墨烯片。所制備的石墨烯片具有如下性能:層數(shù)為10 15、含碳量99.5% >比表面積120m2/g。實(shí)施例3
將石油浙青與鋁粉按100:10 (質(zhì)量比)稱取，研磨至300目后放入氣氛爐中，并通入Ar (Ar流量為200mL/min)，以100°C /min升溫至800°C后保溫5h，冷卻至室溫取出低溫炭化產(chǎn)物。將低溫炭化產(chǎn)物放入真空爐中(真空度1.0X KT1 Pa)，以2V /min升溫至1800°C后保溫lh，冷卻至室溫取出高溫炭化產(chǎn)物。將高溫炭化產(chǎn)物置于pH值為2的鹽酸中(炭化產(chǎn)物與鹽酸的質(zhì)量比1:3)，攪拌處(攪拌速度150轉(zhuǎn)/分)，經(jīng)過(guò)濾分離后用去離子水充分洗滌至無(wú)Cl—檢測(cè)出，置于120°C烘箱中進(jìn)行干燥5 h，然后放入球磨機(jī)中球磨IOh (球磨轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分)，即獲得石墨烯片。所制備的石墨烯片具有如下性能:層數(shù)為5 10、含碳量99.0%、比表面積192m2/g。實(shí)施例4
將渣油浙青與氧化鎂按100:80(質(zhì)量比)稱取，研磨至80目后放入氣氛爐中，并通入N2(N2流量為200mL/min)，以2°C /min升溫至400°C后保溫10h，冷卻至室溫取出低溫炭化產(chǎn)物。將低溫炭化產(chǎn)物放入真空爐中(真空度1.0X IO2Pa),以10°C /min升溫至1500°C后保溫5h，冷卻至室溫取出高溫炭化產(chǎn)物。將高溫炭化產(chǎn)物置于pH值為4的鹽酸中(炭化產(chǎn)物與鹽酸的質(zhì)量比1:5)，并攪拌51!(轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分)，經(jīng)過(guò)濾分離后用去離子水充分洗滌至無(wú)Cl—檢測(cè)出，置于120°C烘箱中進(jìn)行干燥5 h，然后放入球磨機(jī)中球磨5h(球磨轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分)，即獲得石墨烯片。所制備的石墨烯片具有如下性能:層數(shù)為8 12、含碳量99.0%、比表面積156m2/g。實(shí)施例5
將合成浙青與硅粉按100:50 (質(zhì)量比)稱取，研磨至300目后放入氣氛爐中，并通入N2(N2流量為100mL/min)，以5°C /min升溫至800°C后保溫lh，冷卻至室溫取出低溫炭化產(chǎn)物。將低溫炭化產(chǎn)物放入真空爐中(真空度1.0X 10 —1Pa),以5°C /min升溫至1800°C后保溫4h，冷卻至室溫取出 高溫炭化產(chǎn)物。將高溫炭化產(chǎn)物置于pH值為I的氫氟酸中(炭化產(chǎn)物與氫氟酸的質(zhì)量比1:5)，并攪拌Ih (攪拌速度500轉(zhuǎn)/分)，經(jīng)過(guò)濾分離后用去離子水充分洗滌至無(wú)F—檢測(cè)出，置于120°C烘箱中進(jìn)行干燥5h，然后放入球磨機(jī)中球磨5h (球磨轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分)，即獲得石墨烯片。所制備的石墨烯片具有如下性能:層數(shù)為5 10、含碳量95%、比表面積260m2/g。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種低成本浙青基石墨烯片的制備方法，其特征在于:包括原料的混合、炭化、酸洗、球磨工藝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本浙青基石墨烯片的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)原料的混合 將浙青與添加劑按一定比例稱取，充分研磨后過(guò)篩；所用浙青為煤浙青、石油浙青、渣油浙青、合成浙青或中間相浙青，所用添加劑為鐵粉、銅粉、硅粉、鋁粉、氧化鋁、氧化鎂、氧化鐵、二茂鐵、氧化鈣或氧化銅；混合工藝參數(shù)為: 原料粒度:60-300目 浙青與添加劑的質(zhì)量比為100:1 100:100 添加劑的純度:大于99% ; (2)低溫炭化 將步驟(I)混合好的原料放入氣氛爐中，然后以一定的升溫速率升溫至預(yù)定溫度后保持一段時(shí)間，冷卻至室溫取出；低溫炭化工藝參數(shù)為: 升溫速率:2°C /min -1OO0C /min 預(yù)定溫度:400°C -1OOO0C 保溫時(shí)間:0.1h -1Oh 保護(hù)氣氛:N2或者Ar 氣體流量:50 ml ,/mi n - 200 ml ,/mi n ；` (3)高溫炭化 將步驟(2)所得到的產(chǎn)物放入真空爐中，然后以一定的升溫速率升溫至預(yù)定溫度后保持一段時(shí)間，冷卻至室溫取出；高溫炭化工藝參數(shù)為: 升溫速率:2°C /min - 50°C /min 溫度:1200°C - 2000°C 保溫時(shí)間:0.1 h - 10 h 真空度:1.0X KT1 Pa -1.0X IO3 Pa ； (4)酸洗 將步驟(3)所得炭化產(chǎn)物置于一定pH值的酸液中并攪拌一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)濾分離后用去離子水充分洗滌至無(wú)Cl—或者F—檢測(cè)出，然后放入120°C烘箱中進(jìn)行干燥5 h ;酸洗工藝參數(shù)為: 酸液:鹽酸或氫氟酸 pH 值:1 -5 炭化產(chǎn)物與酸液的質(zhì)量比:1:3 1:10 攪拌時(shí)間:1 - 5h 攪拌速度:50 - 500轉(zhuǎn)/分； (5)球磨 將步驟(4)所得產(chǎn)物放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨處理；球磨工藝參數(shù)為: 球磨時(shí)間:0.5 -1Oh 球磨轉(zhuǎn)速:50 - 500轉(zhuǎn)/分。
3.—種如 權(quán)利要求1所述的方法制得的低成本浙青基石墨烯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低成本瀝青基石墨烯片及其制備方法，屬于碳素材料領(lǐng)域。本發(fā)明以瀝青和添加劑為原料，經(jīng)過(guò)混合、炭化、酸洗、球磨等工藝制備石墨烯片。本發(fā)明的產(chǎn)品純度高，結(jié)構(gòu)缺陷少、制備成本低、操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號(hào)C01B31/04GK103072982SQ201310062598
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者林起浪 申請(qǐng)人:福州大學(xué)