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，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，可以廣泛地應用到超級電容器，場發(fā)射材料及鋰離子電池等諸多領域。
【專利說明】一種納米級石墨片的制備方法
【技術領域】
[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域。
【背景技術】
[0002]由于納米石墨片具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕、良好的機械性能及場發(fā)射性能，在許多領域有著重要的應用。例如，其良好的準二維納米結構可以應用到納米傳感器、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，將石墨的層狀結構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，具有廣泛的應用前
旦
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[0007]本發(fā)明采用如下技術方案實現(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，反應中持續(xù)通入循環(huán)水，反應結束后繼續(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，升電壓到70v,開始計時。
[0040]計時Imin,停止實驗，降電壓到Ov,關閉電源開關,繼續(xù)通循環(huán)水30min。
[0041]冷卻結束后，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。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(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利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
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，反應中持續(xù)通入循環(huán)水，反應結束后繼續(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，步驟四中的反應時間為120s，通過循環(huán)水對真空室進行冷卻。
9.如權利要求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