规模化制备高度规则球形石墨烯微球的方法及该石墨烯微球与流程

本发明涉及规模化制备高度规则球形石墨烯微球的方法及提供该石墨烯微球，属于石墨烯
技术领域：
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背景技术：
：石墨烯(graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它具有超高的电子迁移率(15000cm2/v·s)，低的电阻率(10-6ω·cm)，高的比表面(2630m2/g)，高的导热系数(5300w/m·k)，高的机械强度，被广泛应用于生物、化学、物理、材料等领域。由于石墨烯独特的片状结构，在实际使用过程中很容易发生团聚，从而影响石墨烯比表面积等性能的发挥。因此，需要对石墨烯加以组装，形成三维结构，增加其防堆叠能力。现有组装方法中，jiaxinhuang的论文虽可以得到具有规则球形的石墨烯球，但其采用的超声雾化加高温热解的方式在工业上难以实现，单位时间产能低，产品收集困难，不适合大规模工业化生产。通过喷雾干燥组装石墨烯之前也有尝试，中国发明专利cn201510773548公开了一种可控三维石墨烯微球的制备方法，以氧化石墨烯、支撑介质为原料，加入适量的溶剂调制成浆料，通过喷雾干燥得到氧化石墨烯/支撑体复合物，继而还原氧化石墨烯，得到石墨烯/支撑体复合物，通过溶解支撑体，得到可控三维石墨烯微球。但这种类型的产物缺乏规则球形。目前在技术上仍然难以实现可以规模化制备具有规则球形的石墨烯微球。技术实现要素：本发明的目的是制备高比表面、高分散、具有规则球形的石墨烯微球，及提供一种高效、简单易行的规模化制备高分散石墨烯微球的方法。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种规模化制备高分散石墨烯微球的方法，将氧化石墨烯和/或石墨烯分散到水或其他溶剂中，加入成球剂，混合后得到氧化石墨烯和/或石墨烯分散液，然后将所述氧化石墨烯和/或石墨烯喷雾干燥，使其提炼成粉末状，经过旋风分离和高温处理后，得到高度规则球形石墨烯微球。本发明中所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。本发明将两种或两种以上不同尺寸的鳞片石墨混合，其中，所述鳞片石墨为本领域人员熟知的鳞片石墨即可，并没有特殊的限制，优选为膨胀石墨；所述鳞片石墨的尺寸优选为2～300μm，选用其中两种或两种以上不同尺寸的鳞片石墨混合后最为原料可以利用不同尺寸间的协同效应提高混合物的堆积密度，更优选为2～5种不同尺寸的鳞片石墨，再优选为不同尺寸的鳞片石墨的尺寸间相差为2～300μm；更优选的是2～80μm，进一步优选的是2～50μm。不同尺寸的鳞片石墨之间大尺寸鳞片石墨和小尺寸鳞片石墨两两之间的质量比均为(20～1)：(1～1)，如当鳞片石墨为两种不同尺寸时，大尺寸鳞片石墨和小尺寸鳞片石墨两者之间的比例优选为(20～1)：(1～1)，更优选为(5～1)：1，再优选为2:1。所述的氧化石墨烯、石墨烯粒径在300nm～300μm；所述氧化石墨烯和/或石墨烯与成球剂的质量比为(50:1)～(1:5)，优选为(50:1)～(1:2)，更优选为(25:1)～(1:1)，更优选为(10:1)～(5:1)。喷雾干燥的温度为100℃～400℃，优选为100℃～300℃，更优选为150℃～250℃。混合的条件为：在15℃～100℃搅拌30s～24h，优选为1min～12h，更优选为5min～12h。高温处理的条件为：在100℃～1200℃下加热1～48h；优选为：100℃～300℃处理1～12h后，再在300℃～450℃处理1～12h后，450℃～600℃处理1～12h，再在600℃～900℃处理1～12h；更优选为：在300℃～600℃、惰性气氛中处理2～48h，然后升温至600℃～1200℃，在含有水蒸气或二氧化碳或氮气或氩气的惰性气氛中处理5～48h。所述溶剂为极性溶剂和/或非极性溶剂。所述成球剂为碳纳米材料，即尺寸在1-100nm范围内，组成元素以碳为主要元素，包括但不限于纳米碳、单臂碳纳米管、多壁碳纳米管、乙炔黑、石墨烯、石墨烯量子点、氧化石墨烯；。本发明还提供采用上述方法制备的石墨烯微球，石墨烯以团聚方式构成三维规则球状结构，石墨烯微球半径在100nm-50μm，优选100nm-30μm，更优选为300nm-20μm；石墨烯微球振实密度为0.05g/cm3-0.7g/cm3，优选0.1～0.5g/cm3，更优选为0.2～0.5g/cm3；石墨烯微球的比表面积为300～3000m2/g，优选为800～3000m2/g，更优选为1200～3000m2/g。本发明提供了一种规则的石墨烯微球，该石墨烯微球在具有极其规则的球状结构的同时，还具有超高比表面积和较高的振实密度。该石墨烯具有石墨烯的许多优异的性质，可用于电容器电极材料、电池材料、硒吸附材料、催化剂材料载体。本发明有益效果是：本发明的一种规模化制备高分散石墨烯微球的方法，简单易行；制备的石墨烯微球，高度分散，有利于发挥石墨烯高比表面的功能特性；本发明通过向氧化石墨烯分散液中引入碳纳米材料，由于碳纳米材料与石墨烯同为碳材料，相容度较高，在喷雾干燥的过程中，可实现均一有效收缩，使得产物的各向同性程度提高，具有高度规则球形。采用喷雾干燥法可直接获得固体复合材料，省去进一步蒸发、粉碎操作的工艺步骤；并能够实现高分散石墨烯复合材料的规模化制备。附图说明图1为实施例2制备的石墨烯微球的sem图。图2为实施例2制备的石墨烯微球的sem清晰图。具体实施方式下面对本发明的技术方案进行详细说明。实施例1粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与有机小分子成球剂混合，室温下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例2粒径为1μm的氧化石墨烯水分散液，与有机小分子成球剂混合，室温下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-40um。实施例3粒径为300μm的氧化石墨烯水分散液，与有机小分子成球剂混合，室温下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-50um。实施例4粒径为300nm的石墨烯水分散液，与有机小分子成球剂混合，室温下搅拌5min，石墨烯与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例5粒径为300nm的石墨烯极性溶剂分散液，与有机小分子成球剂混合，室温下搅拌5min，石墨烯与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例6粒径为300nm的石墨烯非极性溶剂分散液，与有机小分子成球剂混合，室温下搅拌5min，石墨烯与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例7粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与有机纳米材料成球剂混合，室温下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例8粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例9粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例10粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与金属氧化物纳米材料成球剂混合，室温下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例11粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，40℃下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例12粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，100℃下搅拌5min，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例13粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌5h，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例14粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为50:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为100nm-30um。实施例15粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为1:5。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-20um。实施例16粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-50um。实施例17粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为200℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-50um。实施例18粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为400℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，n2气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-50um。实施例19粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，水蒸气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-50um。实施例20粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，二氧化碳气体保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-50um。实施例21粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，氩气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-50um。实施例22粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，氩气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃4h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-50um。实施例23粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，氩气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃4h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃2h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-30um。实施例24粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，氩气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃4h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃2h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃2h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-40um。实施例25粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液，与无机非金属纳米材料成球剂混合，室温下搅拌12h，go与成球剂的质量比为10:1。将均匀的混合液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得微球。最终将微球置于马弗炉中焙烧，氩气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃4h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃2h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃2h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃8h。得高分散石墨烯微球，球半径为300nm-30um。对比例1将粒径为300nm的氧化石墨烯水分散液进行喷雾干燥，喷干温度为100℃，得粉末。进一步旋风分离得粉末，非微球。将其置于马弗炉中焙烧，氩气保护，程序升温，升温程序为100℃升温至300℃，10℃/min，300℃1h，300℃升温至450℃，10℃/min，450℃1h，450℃升温至600℃，10℃/min，600℃1h，600℃升温至900℃，10℃/min，900℃1h。得石墨烯粉末，非微球。附表：表1实施例1与对比例1中的石墨烯微球对比实施例1对比例1形状规则球形无规则振实密度0.2-0.5g/cm30.01-0.03g/cm3比表面积1200-3000m2/g300-1500m2/g当前第1页12