權(quán)利要求
1.一種高容量寡片
石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：按如下步驟進行：
S1：將5±0.5g石墨粉和1±0.5g硝酸鈉與150±10mL混合酸均勻混合，在冰水浴條件下攪拌，在攪拌的過程中緩慢加入氧化劑，反應(yīng)2-3小時，得到混合溶液;
S2：將混合溶液轉(zhuǎn)移至35±5℃的恒溫水中進行水浴，反應(yīng)時間為30±5min;在混合溶液中逐步加入92±5mL的去離子水，而后將混合溶液加熱至98±2℃繼續(xù)反應(yīng)3±0.5h，然后將混合溶液從水浴中取出;
S3：繼續(xù)在步驟S2處理完成的混合溶液中加入30mL去離子水稀釋，并用30±2mL的H2O2溶液中和混合溶液中未反應(yīng)的氧化劑，對混合溶液進行離心過濾，得到溶液中的沉淀物;
S4：采用鹽酸在抽濾條件下洗滌步驟S3得到的沉淀物2次，然后用蒸餾水洗滌沉淀物至pH值為5-7;
S5：將洗滌后的沉淀物放在離心機中進行離心處理，分離出沉淀物制得寡片石墨烯生產(chǎn)原料;
S6：然后將寡片石墨烯生產(chǎn)原料置于真空度0.01Pa-10kPa的環(huán)境中，而后以1-5℃/min的升溫速率升溫到-60～-80℃進行高真空冷凍處理，維持恒溫48-72h冷凍干燥，得到寡片石墨烯材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：步驟S1中，混合酸的質(zhì)量濃度為98%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：步驟S1中，混合酸為濃硫酸、硝酸、磷酸混合液，按容量計所述濃硫酸的用量為120mL、硝酸的用量為10-20mL、磷酸的用量為10-20mL。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：步驟S1中，氧化劑采用KMnO4，所述KMnO4的用量為5±0.5g。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：步驟S3中，H2O2溶液的質(zhì)量濃度為30%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：步驟S3中，質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液制備工序為：量取質(zhì)量濃度為100%的H2O2溶液3mL，并加入27mL的水經(jīng)稀釋后得到質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：步驟S4中，鹽酸的濃度為0.1mol/L。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，其特征在于：步驟S5中，離心機的離心轉(zhuǎn)速為8000±500r/min，離心處理時間為5-10min。
9.一種采用權(quán)利要求1-8任一項低溫制備方法制備的高容量寡片石墨烯，其特征在于：該寡片石墨烯具有如下物理參數(shù)：寡片石墨烯片層厚度為0.35-20nm，比表面積為200-800m2/g，
電化學(xué)比容量為140-180F/g;電導(dǎo)率>104S/m。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于寡片石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種高容量寡片石墨烯及其低溫制備方法。
背景技術(shù)
[0002]石墨烯是一種由單層碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的二維碳
納米材料，具有極高的比表面積，當(dāng)石墨烯的片層由單層、雙層或幾層堆疊而成時，即為一種高容量寡片石墨烯，該種高容量寡片石墨烯具有高導(dǎo)電性、高強度和韌性、超大比表面積、優(yōu)異熱傳導(dǎo)性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高透光性等特點，在電子行業(yè)、新能源領(lǐng)域、材料學(xué)領(lǐng)域、生物醫(yī)藥領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景，高容量寡片石墨烯的高比表面積意味著它可以提供更多的活性位點，從而增加與電解質(zhì)的接觸面積，提高
儲能器件的容量和性能。
[0003]所謂的比表面積是指單位質(zhì)量石墨烯所具有的表面積，由于石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料，其厚度僅為一個原子層，因此即使質(zhì)量很小，也能擁有巨大的表面積;但是，實際制備的石墨烯可能由于缺陷、雜質(zhì)、層數(shù)等因素而導(dǎo)致其比表面積與理論值有所偏差，需要根據(jù)具體情況對石墨烯的比表面積進行準(zhǔn)確測量和評估。
發(fā)明內(nèi)容
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種高容量寡片石墨烯及其低溫制備方法，在低溫條件下制得的寡片石墨烯具有高比表面積的優(yōu)良性能。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
一種制備上述高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，按如下步驟進行：
S1：將5±0.5g石墨粉和1±0.5g硝酸鈉與150±10mL混合酸均勻混合，在冰水浴條件下攪拌，在攪拌的過程中緩慢加入氧化劑，反應(yīng)2-3小時，得到混合溶液;
S2：將混合溶液轉(zhuǎn)移至35±5℃的恒溫水中進行水浴，反應(yīng)時間為30±5min;在混合溶液中逐步加入92±5mL的去離子水，而后將混合溶液加熱至98±2℃繼續(xù)反應(yīng)3±0.5h，然后將混合溶液從水浴中取出;
S3：繼續(xù)在步驟S2處理完成的混合溶液中加入30mL去離子水稀釋，并用30±2mL的H2O2溶液中和混合溶液中未反應(yīng)的氧化劑，對混合溶液進行離心過濾，得到溶液中的沉淀物;
S4：采用鹽酸在抽濾條件下洗滌步驟S3得到的沉淀物2次，然后用蒸餾水洗滌沉淀物至pH值為5-7;
S5：將洗滌后的沉淀物放在離心機中進行離心處理，分離出沉淀物制得寡片石墨烯生產(chǎn)原料;
S6：然后將寡片石墨烯生產(chǎn)原料置于真空度0.01Pa-10kPa的環(huán)境中，而后以1-5℃/min的升溫速率升溫到-60～-80℃進行高真空冷凍處理，維持恒溫48-72h冷凍干燥，得到寡片石墨烯材料。
[0006]以下是本發(fā)明對上述技術(shù)方案的進一步優(yōu)化：
步驟S1中，混合酸的質(zhì)量濃度為98%。
[0007]進一步優(yōu)化：步驟S1中，混合酸為濃硫酸、硝酸、磷酸混合液，按容量計所述濃硫酸的用量為120mL、硝酸的用量為10-20mL、磷酸的用量為10-20mL。
[0008]進一步優(yōu)化：步驟S1中，氧化劑采用KMnO4，所述KMnO4的用量為5±0.5g。
[0009]進一步優(yōu)化：步驟S3中，H2O2溶液的質(zhì)量濃度為30%。
[0010]進一步優(yōu)化：步驟S3中，質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液制備工序為：量取質(zhì)量濃度為100%的H2O2溶液3mL，并加入27mL的水經(jīng)稀釋后得到質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液。
[0011]進一步優(yōu)化：步驟S4中，鹽酸的濃度為0.1mol/L。
[0012]進一步優(yōu)化：步驟S5中，離心機的離心轉(zhuǎn)速為8000±500r/min，離心處理時間為5-10min。
[0013]本發(fā)明還提供一種采用上述低溫制備方法制備的高容量寡片石墨烯，具有如下物理參數(shù)：寡片石墨烯片層厚度為0.35-20nm，比表面積為200-800m2/g，電化學(xué)比容量為140-180F/g;電導(dǎo)率>104S/m。
[0014]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，構(gòu)思巧妙，在低溫條件下制備寡片石墨烯，工藝簡單，操作成本較低，降低了對生產(chǎn)設(shè)備的要求，整個反應(yīng)過程穩(wěn)定可控，生產(chǎn)出的寡片石墨烯性質(zhì)更穩(wěn)定，通過該方法制得的寡片石墨烯的比表面積在200-800m2/g，該特性使寡片石墨烯在表面化學(xué)、吸附、
儲能材料、氣體傳感器以及環(huán)保和海水淡化等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，是一種具有市場前景且應(yīng)用廣泛的材料。
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
附圖說明
[0016]圖1為本發(fā)明實施例中8-10層寡片石墨烯在比例尺為10μm時的SEM圖;
圖2為本發(fā)明實施例中8-10層寡片石墨烯在比例尺為1μm時的SEM圖。
具體實施方式
[0017]實施例1：如圖1-2所示，一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，包括以下步驟：
S1：將4.5g石墨粉和0.5g硝酸鈉與140mL質(zhì)量濃度為98%的混合酸均勻混合，在冰水浴條件下攪拌，在攪拌的過程中緩慢加入氧化劑，反應(yīng)2小時，得到混合溶液。
[0018]所述步驟S1中，混合酸為濃硫酸、硝酸、磷酸混合液，按容量計所述濃硫酸的用量為120mL、硝酸的用量為10mL、磷酸的用量為10mL。
[0019]步驟S1中，氧化劑采用KMnO4，所述KMnO4的用量為4.5g。
[0020]S2：將混合溶液轉(zhuǎn)移至30℃的恒溫水中進行水浴，反應(yīng)時間為25min;在混合溶液中逐步加入87mL的去離子水，而后將混合溶液加熱至96℃繼續(xù)反應(yīng)2.5h，然后將混合溶液從水浴中取出;
S3：繼續(xù)在步驟S2處理完成的混合溶液中加入30mL去離子水稀釋，并用28mL質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液中和混合溶液中未反應(yīng)的KMnO4，對混合溶液進行離心過濾，得到溶液中的沉淀物;
所述步驟S3中質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液制備工序為：量取質(zhì)量濃度為100%的H2O2溶液3mL，并加入27mL的水經(jīng)稀釋后得到質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液。
[0021]S4：采用濃度為0.1mol/L的鹽酸在抽濾條件下洗滌步驟S3得到的沉淀物2次，然后用蒸餾水洗滌沉淀物至pH值為5;
S5：將洗滌后的沉淀物放在離心機中，在7500r/min的轉(zhuǎn)速下離心處理5min;分離出沉淀物制得寡片石墨烯生產(chǎn)原料。
[0022]S6：將步驟S5處理完成的寡片石墨烯生產(chǎn)原料置于真空度為0.01Pa的環(huán)境中，而后以1℃/min的升溫速率升溫到-60℃進行高真空冷凍處理，維持恒溫48h冷凍干燥，處理完成后，得到寡片石墨烯材料。
[0023]實施例2：一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，包括以下步驟：
S1：將5g石墨粉和1g硝酸鈉與150mL質(zhì)量濃度為98%的混合酸均勻混合，在冰水浴條件下攪拌，在攪拌的過程中緩慢加入5g的KMnO4，反應(yīng)2.5小時，得到混合溶液。
[0024]所述步驟S1中，混合酸為濃硫酸、硝酸、磷酸混合液，按容量計所述濃硫酸的用量為120mL、硝酸的用量為15mL、磷酸的用量為15mL。
[0025]S2：將混合溶液轉(zhuǎn)移至35℃的恒溫水中進行水浴，反應(yīng)時間為30min;在混合溶液中逐步加入92mL的去離子水，而后將混合溶液加熱至98℃繼續(xù)反應(yīng)3h，然后將混合溶液從水浴中取出;
S3：繼續(xù)在步驟S2處理完成的混合溶液中加入30mL去離子水稀釋，并用30mL質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液中和混合溶液中未反應(yīng)的KMnO4，對混合溶液進行離心過濾，得到溶液中的沉淀物;
S4：采用濃度為0.1mol/L的鹽酸在抽濾條件下洗滌步驟S3得到的沉淀物2次，然后用蒸餾水洗滌沉淀物至pH值為6;
S5：將洗滌后的沉淀物放在離心機中，在8000r/min的轉(zhuǎn)速下離心處理8min，分離出沉淀物制得寡片石墨烯生產(chǎn)原料;
S6：將步驟S5處理完成的寡片石墨烯生產(chǎn)原料置于真空度為5kPa的環(huán)境中，而后以3℃/min的升溫速率升溫到-70℃進行高真空冷凍處理，維持恒溫60h冷凍干燥，處理完成后，得到寡片石墨烯材料。
[0026]實施例3：一種高容量寡片石墨烯的低溫制備方法，包括以下步驟：
S1：將5.5g石墨粉和1.5g硝酸鈉與160mL質(zhì)量濃度為98%的混合酸均勻混合，在冰水浴條件下攪拌，在攪拌的過程中緩慢加入5.5g的KMnO4，反應(yīng)3小時，得到混合溶液。
[0027]所述步驟S1中，混合酸為濃硫酸、硝酸、磷酸混合液，按容量計所述濃硫酸的用量為120mL、硝酸的用量為20mL、磷酸的用量為20mL。
[0028]S2：將混合溶液轉(zhuǎn)移至40℃的恒溫水中進行水浴，反應(yīng)時間為35min;在混合溶液中逐步加入97mL的去離子水，而后將混合溶液加熱至100℃繼續(xù)反應(yīng)3.5h，然后將混合溶液從水浴中取出。
[0029]S3：繼續(xù)在步驟S2處理完成的混合溶液中加入30mL去離子水稀釋，并用32mL質(zhì)量濃度為30%的H2O2溶液中和混合溶液中未反應(yīng)的KMnO4，對混合溶液進行離心過濾，得到溶液中的沉淀物。
[0030]S4：采用濃度為0.1mol/L的鹽酸在抽濾條件下洗滌步驟S3得到的沉淀物2次，然后用蒸餾水洗滌沉淀物至pH值為7。
[0031]S5：將洗滌后的沉淀物放在離心機中，在8500r/min的轉(zhuǎn)速下離心處理10min，分離出沉淀物制得寡片石墨烯生產(chǎn)原料。
[0032]S6：將步驟S5處理完成的寡片石墨烯生產(chǎn)原料置于真空度為10kPa的環(huán)境中，而后以5℃/min的升溫速率升溫到-80℃進行高真空冷凍處理，維持恒溫72h冷凍干燥，處理完成后，得到寡片石墨烯材料。
[0033]對上述實施例1-3制備的寡片石墨烯的物理性能進行檢測，檢測項目包括：(1)、比表面積;(2)、電化學(xué)比容量;(3)、寡片石墨烯片層厚度;(4)、電導(dǎo)率。
[0034]其中(1)、比表面積的檢驗工序按如下步驟進行：
B1、將實施例1-3中制備的寡片石墨烯分別裝入三個相對應(yīng)的樣品管中，并對三個樣品管進行編號以對應(yīng)實施例1-3中的寡片石墨烯，然后對三個樣品管進行抽真空，真空度為10Pa，同時開始加熱，升溫速率5℃/min，升溫至200℃，維持10h，得到氧化石墨烯。
[0035]B2、利用氮氣吸附測定氧化石墨烯的比表面積，吸附溫度為液氮溫度(77K)，測得的實施例1-3中寡片石墨烯的比表面積如下表所示：
序號比表面積實施例1210㎡/g實施例2300㎡/g實施例3780㎡/g
由上表可知，實施例1-3中制備的寡片石墨烯的比表面積為200-800m2/g。
[0036](2)、電化學(xué)比容量的檢驗工序按如下步驟進行：
D1、首先依次稱取實施例1-3制備的寡片石墨烯3mg，并對實施例1-3制備的寡片石墨烯按如下檢測步驟進行檢測電化學(xué)比容量。
[0037]D2、利用KOH為電解液的三電極體系測試其電化學(xué)比容量;將泡沫鎳切割成邊長1*1cm的方形電極片，在120℃的環(huán)境下干燥12h后稱重。
[0038]D3、將步驟D1稱取的寡片石墨烯放在100℃的環(huán)境下真空干燥5h，使其脫氣，然后滴入0.3mg的PVDF乳液或PTFE乳液，0.3mg的炭黑，加入2mL的NMP，超聲分散20min，得到分散液。
[0039]D4、然后用滴管將上述分散液滴加在泡沫鎳電極片上，將分散液滴完的電極片在60℃的環(huán)境下干燥12h，稱重，計算有效的寡片石墨烯質(zhì)量，將做好的電極片在KOH溶液中浸泡12h后測定其電化學(xué)性能;以Ag/AgCl為參比電極，在充放電電流100mA/g下測定的實施例1-3中寡片石墨烯的電化學(xué)比容量如下表所示：
序號電化學(xué)比容量實施例1142F/g實施例2156F/g實施例3178F/g
由上表可知，實施例1-3中制備的寡片石墨烯的電化學(xué)比容量為140-180F/g。
[0040](3)、采用掃描電子顯微鏡(SEM)對實施例1-3中制備的寡片石墨烯的片層厚度進行檢測。
[0041]下表是對實施例1-3中寡片石墨烯片層厚度的檢測結(jié)果表：
序號寡片石墨烯片層厚度實施例118nm實施例20.45nm實施例35.6nm
由上表可知，實施例1-3中制備的寡片石墨烯的片層厚度為0.35-20nm。
[0042](4)、采用電化學(xué)工作站對實施例1-3中制得的寡片石墨烯的電導(dǎo)率進行檢測;其中實施例1制得的寡片石墨烯的電導(dǎo)率>105S/m;實施例2制得的寡片石墨烯的電導(dǎo)率>106S/m;實施例3制得的寡片石墨烯的電導(dǎo)率>104S/m。
[0043]由此可見，實施例1-3中制備的寡片石墨烯的電導(dǎo)率>104S/m。
[0044]對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，在不脫離本發(fā)明的原理與精神的情況下，對實施方式所進行的改變、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
說明書附圖(2)
聲明：
“高容量寡片石墨烯及其低溫制備方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：昌邑森匯新材料有限公司, 青島科技大學(xué)
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