专利名称：真空下微波辐射制备和纯化石墨烯的方法
技术领域：
本发明涉及真空下微波辐射制备和纯化石墨烯的方法，属于材料的制备和纯化技 术。
背景技术：
石墨烯是2004年发现的一种二维碳原子晶体，为单层或多层的极薄的碳材料。从 发现的那一天起，就成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点之
ο目前，石墨烯的主要制备方法有机械劈裂法、外延晶体生长法、化学气相沉积法、 氧化石墨的化学解理和还原方法。还有其他一些制备方法也陆续被开发出来，如气相等 离子体生长技术，静电沉积法和高温高压合成法等。杨全红等采用低温负压化学解理法 实现了石墨烯的低成本宏量制备，负压不仅可以保证解理所需的温度较低，而且也可防止 石墨烯被氧化。利用这种方法得到了具有优良纳米结构和储能性质的石墨烯材料，从而 为石墨烯的产业化及其在储能领域中的应用打下了坚实的基础[Wei Lv, Dai-Ming Tang, Yan-Bing He et al. ACSNano, 2009, 3 (11) :3730_3736.杨全红，吕伟，孙辉，高电化学容量 氧化石墨烯及其低温制备方法和应用，CN 200810151807. X]。微波辐射也被利用在石墨烯 的制备过程中，微波辐射等离子体增强化学气相沉积法、微波辐射化学气相沉积法、液相微 波辐射法和空气气氛中微波辐射法，这些方法都已经被用来合成石墨烯，微波辐射法已经 发展成一种重要的制备石墨烯的方法。微波辐射等离子体增强化学气相沉积法和微波辐 射化学气相沉积法这两种方法是利用微波辅助的化学气相沉积石墨烯，这两种方法都需要 专门的设备与操作人员进行操作，设备与生产成本高，并且操作复杂，产量低，不易于实现 工业化生产。液相微波辐射法是利用微波辐射液相介质中的石墨来制备石墨烯，这种方法 操作复杂，生成的石墨烯在干燥过程中容易聚集，收率小于10%，同时由于在密闭容器中操 作，在制备过程中容易发生爆炸。还有在空气气氛中的微波辐射氧化石墨的方法，这种方法 虽然产率高，但由于制备过程中石墨烯会与空气中的氧气接触，容易被再次氧化，对石墨烯 的纯度有影响，同时对于密闭的容器，氧化石墨解理时放出大量的气体也容易引起爆炸。这 些问题都制约着微波辐射法制备石墨烯的工业化发展。纯净的石墨烯是一种碳元素的单质，其中除了碳元素外，不含有其他元素。在石墨 烯的制备方法中，以氧化石墨为原料的化学还原或解理是一种重要宏量制备的方法，这种 方法制备的石墨烯会由于解理或还原不完全，其表面或边缘仍会含有含氧基团，例如羧基， 环氧基和羟基等。这些含氧基团在石墨烯的二维结构上造成缺陷，而这些缺陷对石墨烯的 电学和力学等性质都会造成影响。目前还没有文献或专利报道关于石墨烯的纯化这一重要 问题的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在真空下微波辐射制备和纯化石墨烯的方法。该方法
3具有生产效率高，生产成本低，操作过程安全，产品纯度高等优点，可以作为宏量制备和纯 化石墨烯的方法之一。本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种真空下微波辐射制备石墨烯的方 法，其特征在于包括以下过程将氧化石墨置于反应器中，形成0. OlPa IOkPa压力下，采 用频率为300MHz 300GHz，功率为50W 2000W的微波对氧化石墨进行辐射2s 600s，
氧化石墨受热解理获得石墨烯。—种真空下微波辐射纯化石墨烯的方法，其特征在于包括以下过程，将氧元素 原子比含量高于10%的石墨烯置于反应器中，形成0. OlPa IOkPa压力下，采用频率为 300MHz 300GHz，功率为50W 2000W的微波对氧化石墨进行辐射2s 600s，不纯的石墨 烯受热解理，得到氧元素原子比含量低于10%的石墨烯。本方法制取或纯化的石墨烯具有以下的特征与优点利用真空条件有利于防止生成的石墨烯被反应器中的氧气氧化，同时真空的条件 可以减小氧化石墨解离的阻力，本方法制备的石墨烯的厚度在0. 34nm 20nm之内，氧元素 原子比含量低于10%，比表面积在400 2630m2/g范围内；同时对于其他方法制备的石墨 烯，也可利用本方法纯化，利用本方法纯化的石墨烯氧元素原子比含量低于10%，比表面积 大于400m2/g，本方法首次提出了真空和微波辐射下石墨烯的纯化方法，并且是一种制备高 质量的石墨烯的方法；氧化石墨的化学解理过程中体积迅速膨胀造成了安全隐患，本方法 通过利用真空泵不断抽去气体维持反应器内负压的方法解决了这一问题，是一种安全的方 法；本方法的消耗时间短，最短只需2s，生产效率高，是一种高效的方法；该方法能量消耗 小，微波辐射功率小，辐射时间短，生产成本低，是一种低成本的方法；该方法可以用于宏量 制备石墨烯的工业化生产中，在真空条件下，微波辐射可以使原料均勻的受热解理，真空微 波设备技术已经比较成熟，本方法是一种易于宏量制备，工业化生产的方法。
具体实施例方式实施例1将2g石墨粉和Ig硝酸钠与46mL质量浓度98 %的硫酸均勻混合，在冰水浴条件下 搅拌，缓慢加入6g高锰酸钾，反应2h，然后将其转移至35°C恒温水浴，反应30min。逐滴加 入92mL去离子水后，将温度升至98°C继续反应3h，从水浴中取出，进一步加去离子水稀释， 并用20mL质量浓度30%过氧化氢溶液处理，还原溶液中的氧化性物质。用5%的盐酸洗涤 溶解溶液中的杂质，趁热离心过滤并反复用去离子水洗涤滤饼，至洗涤液PH值大于5，70°C 真空干燥48h，得到氧化石墨。取上步制得的氧化石墨2g，放置于反应器中。利用真空泵抽真空，当真空度达到 2Pa时，停止抽真空，通入氩气至气压为0. IMPa,再重复抽真空通氩气两次，最后利用真空 泵抽真空至真空度为2Pa。用功率微波频率为2450MHz，功率为800W，微波辐射300s。反 应结束后，降温待反应器内温度降至室温后。收集石墨烯样品，采用XPS和比氮气表面积 测试仪对样品进行测试，测试结果石墨烯中氧元素的原子比含量约为7%，比表面积约为 510m2/go实施例2本实施例的过程与条件同实施例1相同，只是将微波的功率调为1500W，辐射时间调为100s，仍可以得到石墨烯样品。采用XPS和比氮气表面积测试仪对样品进行测试，测试 结果石墨烯中氧元素的原子比含量约为7%，比表面积约为500m2/g。实施例3按实施例1的制备方法，只是将微波的功率调为2000W，辐射时间调为2s，其他的 反应条件不变，可以得到石墨烯样品。实施例4按实施例1的制备方法，只是将微波的频率调为2000MHz，其他的反应条件不变， 可以得到石墨烯样品。实施例5按实施例1的制备方法，只是将微波的频率调为3000MHz，其他的反应条件不变， 可以得到石墨烯样品。实施例6按实施例1的制备方法，只是将氧化石墨的质量改为50g，其他的反应条件不变， 仍可得到石墨烯样品。实施例7按实施例1的方法制备氧化石墨，将干燥后的氧化石墨装入样品管中后抽真空， 当真空度达到IOkPa时，开始加热，升温速率20°C /min,升温至200°C，维持2h，得到石墨烯 初产物，通过测试得知其氧元素的原子比含量约为20%，比表面积约为200m2/g。将按照上 述步骤得到的石墨烯，放置于反应容器中，利用真空泵抽真空，当真空度达到2Pa时，停止 抽真空，通入氩气至气压为0. IMPa，再重复抽真空通氩气两次，最后利用真空泵抽真空至真 空度为2Pa。调节功率微波频率为2450MHz，功率为100W，辐射时间为800s，开始微波辐射。 反应结束后，打开冷却水阀门，待反应器内温度降至室温后，停止通水。得到纯化的石墨烯 样品，采用XPS和比氮气表面积测试仪对样品进行测试，测试表明其氧元素的原子比含量 约为8%，比表面积约为450m2/g。实施例8按实施例7的方法，只是将微波的功率调为2000W，辐射时间调为2s，其他的反应 条件不变，可以得到纯化的石墨烯样品。实施例9按实施例7的方法，只是将微波的频率调为2000MHz，其他的反应条件不变，可以 得到纯化的石墨烯样品。实施例10按实施例7的方法，只是将纯度较低石墨烯的质量改变为75g，其他的反应条件不 变，仍可得到纯化的石墨烯样品。对比例1取按照实施例1的方法制取的氧化石墨2g，放置于反应器中。在空气气氛常压中， 调节功率微波频率为2450MHz，功率为800W，辐射时间为300s，开始微波辐射。反应结束后， 打开冷却水阀门，待反应器内温度降至室温后，停止通水。收集石墨烯样品。采用XPS和比 氮气表面积测试仪对样品进行测试，得到的石墨烯的氧元素原子比含量约为15%，比表面 积约为220m2/g，通过对比可知采用本方法制取的石墨烯的质量更高。
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对比例2取按照实施例1的方法制取的氧化石墨2g，放置于反应器中。利用真空泵抽真空， 当真空度达到2Pa时，停止抽真空，通入氩气至气压为0. IMPa，再重复抽真空通氩气两次， 最后通入氩气至气压为0. IMPa0调节功率微波频率为2450MHz，功率为800W，辐射时间为 300s，开始微波辐射。反应结束后，打开冷却水阀门，待反应器内温度降至室温后，停止通 水。收集石墨烯样品。采用XPS和比氮气表面积测试仪对样品进行测试，测试表明其氧元 素的原子比含量约为11%，比表面积约为270m2/g。通过对比可知采用本方法制取的石墨 烯的质量更高。
权利要求
一种真空下微波辐射制备石墨烯的方法，其特征在于包括以下过程将氧化石墨置于反应器中，形成0.01Pa～10kPa压力下，采用频率为300MHz～300GHz，功率为50W～2000W的微波对氧化石墨进行辐射2s～600s，氧化石墨受热解理获得石墨烯。
2.一种真空下微波辐射纯化石墨烯的方法，其特征在于包括以下过程，将氧元素原 子比含量高于10%的石墨烯置于反应器中，形成O.OlPa IOkPa压力下，采用频率为 300MHz 300GHz，功率为50W 2000W的微波对氧化石墨进行辐射2s 600s，不纯的石墨 烯受热解理，得到氧元素原子比含量低于10%的石墨烯。
全文摘要
本发明公开了一种在真空下微波辐射制备和纯化石墨烯的方法。其中制备石墨烯的方法包括以下过程将氧化石墨置于反应器中，在真空下，利用微波对氧化石墨进行辐射，氧化石墨受热解理获得石墨烯。纯化石墨烯的过程包括，将纯度低的石墨烯置于反应器中，在真空下，利用微波对氧化石墨进行辐射，不纯的石墨烯受热解理，得到纯度较高的石墨烯。真空条件有利于防止生成的石墨烯被反应器中的氧气氧化，减小氧化石墨解离的阻力，同时还可以保证操作过程的安全。该方法具有生产效率高，生产成本低，操作过程安全，产品纯度高等优点，可以作为宏量制备和纯化石墨烯的方法之一。
文档编号C01B31/04GK101948107SQ201010281619
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者吕伟, 杨全红, 苏方远, 陈学成, 魏伟 申请人:天津大学