一種納米級石墨片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于:采用電阻直熱式制備方法，以銅為催化劑，鉬舟為加熱原件，通過碳源氣體熱解出碳原子，碳原子在熔融銅表面進行表面吸附和表面擴散反應(yīng)，制備得到納米級石墨片。與傳統(tǒng)的方法相比，本發(fā)明避免了強酸強氧化劑的使用對環(huán)境造成的污染，電阻直熱式制備方法可以顯著地提高制備的速率，提高了產(chǎn)率；操作簡單，可以連續(xù)大量地制備納米級石墨片。所得產(chǎn)物缺陷少，石墨化程度高，可以廣泛地應(yīng)用到超級電容器，場發(fā)射材料及鋰離子電池等諸多領(lǐng)域。
【專利說明】一種納米級石墨片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種納米級石墨片的制備方法,屬于納米碳材料研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于納米石墨片具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕、良好的機械性能及場發(fā)射性能，在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。例如，其良好的準(zhǔn)二維納米結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到納米傳感器、電池等諸多納米器件中。
[0003]納米石墨片的制備方法很多，包括機械球磨法、氧化還原法、等離子體增強化學(xué)氣相沉積法等。專利(CN201310369027)公開了一種納米石墨片的制備方法，具體方法是以天然鱗片石墨為原料，采用氧化劑和插層劑對天然鱗片石墨進行氧化插層處理，形成插層膨脹石墨，采用微波加熱方式對插層膨脹石墨進行膨化，形成膨脹石墨，其后，在有機溶劑中采用超聲輻照對膨脹石墨進行剝離而成納米石墨片。專利(CN201010193713)報道的納米石墨片的制備方法為以石墨為原料，以表面活性劑的水溶液為電解液，經(jīng)電解法制備得到納米石墨片。
[0004]以上報道可以看出，現(xiàn)有的方法主要是以石墨為起始原料，將石墨的層狀結(jié)構(gòu)利用一些手段進行剝離，從而制得納米石墨片。這些方法在實驗過程中會使用大量的強酸、強氧化劑等藥品，具有一定的危險性，在制備過程中產(chǎn)生大量廢液會對環(huán)境產(chǎn)生污染。而且原料石墨的品質(zhì)往往會決定所制備納米石墨片的質(zhì)量，對原料石墨要求較聞。
[0005]眾所周知，高溫下碳源氣體會在金屬催化劑表面熱解產(chǎn)生碳原子，在催化劑的作用下碳原子會以SP2雜化的形式重新成核生成石墨相，用這種方法可以制備石墨烯等納米碳材料，但用這種技術(shù)制備納米石墨片卻未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種全新、快速、大量的制備納米級石墨片的方法，該方法不使用任何強酸強氧化劑類藥品，操作簡單，所制備的產(chǎn)物質(zhì)量較好，具有廣泛的應(yīng)用前
旦
-5^ O
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于該方法包括以下技術(shù)特征:
[0009]步驟一，將催化劑放置于鑰舟中。
[0010]步驟二，將鑰舟置于真空室內(nèi)。
[0011]步驟三，打開機械泵，抽出真空室內(nèi)空氣后通入碳源氣體和保護氣體，所述碳源氣體和保護氣體的體積比為2:5 ;
[0012]步驟四，將鑰舟兩端連接電極，在60-90V之間調(diào)節(jié)電極電壓，直接加熱銅片變?yōu)槿廴趹B(tài)銅；
[0013]步驟五，通過循環(huán)水對真空室進行冷卻，反應(yīng)中持續(xù)通入循環(huán)水，反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)冷卻30min。取出鑰舟中的石墨片，該石墨片的厚度約為10nm。[0014]采用鑰舟直接加熱方式。
[0015]采用銅為催化劑。
[0016]所用碳源氣體選自甲烷、乙炔和乙烯。
[0017]所述實驗中保護氣體選自氬氣或氫氬混合氣。
[0018] 所述碳源氣體百分比為10%-30%。(所述碳源氣體百分比為10%-30%已經(jīng)表示一個可調(diào)的范圍)
[0019]所述鑰舟溫度由電壓控制，且實驗電壓為60v_90v。
[0020]一種納米級石墨片的制備方法，步驟四中的反應(yīng)時間為120s，通過循環(huán)水對真空室進行冷卻。
[0021]按照此實驗路線所制備的石墨片缺陷少，石墨化程度高，Raman光譜中G峰明顯強于D峰。
[0022]采用電阻直熱式制備方法，以銅片為催化劑，將其放入鑰舟中，在60v-90v之間調(diào)節(jié)電壓，直接加熱銅片變?yōu)槿廴趹B(tài)銅，碳源氣體(包括甲烷、乙炔和乙烯)接觸到熔融銅后熱解出具有活性的碳原子，由于銅對碳原子的溶解度較小，碳原子會在熔融銅表面進行表面吸附和表面擴散，之后在熔融銅液表面形成以SP2雜化形式的石墨成核中心，最后碳原子會擴散到成核中心周圍并以化學(xué)鍵的形式連接形成石墨相，從而形成厚度在IOnm左右的石墨片。
[0023]有益效果:
[0024]上述制備方法的優(yōu)點在于:①采用電阻直熱式的制備方法提高了反應(yīng)速率，節(jié)省時間，提高了產(chǎn)率。②避免了強酸強氧化劑的使用對環(huán)境造成的污染。③實驗裝置簡單易操作，適合連續(xù)大量生產(chǎn)。④所制備的納米級石墨片質(zhì)量好，石墨化程度高，便于進一步應(yīng)用。⑤石墨片的厚度均一，都在IOnm左右。⑥石墨片排列整齊，片與片之間距離分布均一。⑦石墨片的純度高，在XRD中沒有發(fā)現(xiàn)其它雜質(zhì)的衍射峰出現(xiàn)。⑧所用銅催化劑可以反復(fù)利用，節(jié)省資源。⑨銅片催化劑只需要簡單的前處理就可以實驗，節(jié)省了實驗時間，提高了實驗效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下面結(jié)合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明:
[0026]圖1納米級石墨片的XRD譜圖；
[0027]圖2納米級石墨片的Raman譜圖；
[0028]圖3納米級石墨片的SEM圖片；
[0029]圖4納米級石墨片的SEM圖片。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。
[0031]實施例1:
[0032]將鑰片(北京鎢鑰材料廠)剪成7cmX2.5cm的小片，用洗衣粉溶液將其表面的雜質(zhì)清洗干凈，用去離子水沖洗干凈備用。
[0033]利用自制的模具將鑰片壓制成舟狀。[0034]將純度為99.9%的銅片用砂紙打磨去除表面的氧化層，再用丙酮超聲清洗5min，最后用去離子水沖洗。將清洗后的銅片用剪刀剪成大小約0.3cmX0.3cm的小片。
[0035]利用夾具將鑰舟固定于兩電極之間，將剪好的小銅片均勻地平鋪于鑰舟底部。
[0036]將鑰舟置于真空室中，打開機械泵，抽真空30min。
[0037]關(guān)閉機械泵，停止抽真空，通入甲烷和氬氣，體積比2:5，保證真空室內(nèi)總壓力小于外界大氣壓。
[0038]開通循環(huán)水對真空室進行冷卻。
[0039]打開電源開關(guān)，升電壓到70v,開始計時。
[0040]計時Imin,停止實驗，降電壓到Ov,關(guān)閉電源開關(guān),繼續(xù)通循環(huán)水30min。
[0041]冷卻結(jié)束后，抽出真空室內(nèi)氣體，充入空氣至大氣壓。
[0042]打開真空室，取出鑰舟，在鑰舟表面生成大量產(chǎn)物，如附圖3所示。
[0043]實施例2:
[0044]將實施例1中碳源氣體替換為乙炔。
[0045]將實施例1中保護氣體替換為氫氣氬氣混合氣(5%:95% )。
[0046]碳源氣體與保護氣體比例同實施例1保持不變。
[0047]實驗電壓為60v。
[0048]其它實驗要素均等同于實施例1。
[0049]產(chǎn)物如附圖4所示。
[0050]應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于該方法包括以下技術(shù)特征: 步驟一，將催化劑放置于鑰舟中； 步驟二，將鑰舟置于真空室內(nèi)； 步驟三，打開機械泵，抽出真空室內(nèi)空氣后通入碳源氣體和保護氣體，所述碳源氣體和保護氣體的體積比為2:5; 步驟四，將鑰舟兩端連接電極，在60-90V之間調(diào)節(jié)電極電壓，直接加熱銅片變?yōu)槿廴趹B(tài)銅； 步驟五，通過循環(huán)水對真空室進行冷卻，反應(yīng)中持續(xù)通入循環(huán)水，反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)冷卻30min ;取出鑰舟中的石墨片，該石墨片的厚度約為10nm。
2.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于采用鑰舟直接加熱方式。
3.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于采用銅為催化劑。
4.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于所用碳源氣體選自甲烷、乙炔和乙烯。
5.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于所述實驗中保護氣體選自IS氣或氫IS混合氣。
6.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于所述碳源氣體百分比為10% -30%。(所述碳源氣體百分比為10% -30%已經(jīng)表示一個可調(diào)的范圍)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，其特征在于所述鑰舟溫度由電壓控制,且實驗電壓為60v-90v。
8.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，步驟四中的反應(yīng)時間為120s，通過循環(huán)水對真空室進行冷卻。
9.如權(quán)利要求1所述的一種納米級石墨片的制備方法，按照此實驗路線所制備的石墨片缺陷少，石墨化程度高，Raman光譜中G峰明顯強于D峰。
【文檔編號】C01B31/04GK103950925SQ201410201390
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】于立巖, 隋麗娜, 范國威 申請人:青島科技大學(xué)