一种石墨烯的制备方法及其设备
阅读说明：本技术 一种石墨烯的制备方法及其设备 (Preparation method and equipment of graphene ) 是由 吕文建 杨学权 张寅强 孙建国 许威 李书东 袁亚雄 吕东平 徐康 陈冬 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及石墨烯制备技术领域,尤其为一种石墨烯的制备方法及其设备,包括如下步骤：取石墨进行粉碎和研磨制得石墨粉,将石墨粉和去离子水倒入搅拌设备的内部进行预先搅拌,同时向搅拌设备的内部添加50％-60％硝酸溶液搅拌20-30min,然后加入35％-75％重铬酸钾溶液进行氧化反应,反应时间为50-60min,反应后制得氧化石墨悬浮液；本发明能够在制备石墨烯的过程中增加石墨烯的导电性,并弥补石墨烯材料在氧化还原法制备过程中损失的电学性能,同时扩大石墨烯材料的应用范围,解决了目前在氧化还原法制备石墨烯的过程中,由于反应造成石墨烯的结构出现缺陷,导致石墨烯材料的导电性能下降,并造成石墨烯材料的应用受到限制的问题。(The invention relates to the technical field of graphene preparation, in particular to a preparation method and equipment of graphene, which comprises the following steps: crushing and grinding graphite to obtain graphite powder, pouring the graphite powder and deionized water into stirring equipment for pre-stirring, adding 50-60% nitric acid solution into the stirring equipment for stirring for 20-30min, adding 35-75% potassium dichromate solution for oxidation reaction for 50-60min, and obtaining graphite oxide suspension after reaction; according to the invention, the conductivity of the graphene can be increased in the process of preparing the graphene, the loss electrical property of the graphene material in the preparation process of the oxidation-reduction method can be compensated, the application range of the graphene material can be expanded, and the problems that the conductivity of the graphene material is reduced and the application of the graphene material is limited due to the fact that the graphene structure is defective due to reaction in the existing process of preparing the graphene by the oxidation-reduction method are solved.)
技术领域
本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体为一种石墨烯的制备方法及其设备。
背景技术
石墨烯是平面单层碳原子紧密结合在一起形成的二维蜂窝状晶格材料，这种特殊的结构使其除了具有高比表面积、机械强度高和化学稳定性等性质外，更重要的石墨烯中碳原子呈sp2杂化，贡献剩余一个p轨道的电子形成了大π键，π电子可以自由移动，使石墨烯具有良好地导电性、新型的量子霍尔效应以及独特的超导性能。其优异的电学性能引起了国内外研究者们对其在导电材料应用方面的关注，石墨烯由于其独特的结构以及优异的电学、热学和力学等性能，石墨烯在纳米电子器件、复合材料、太阳能电池、超级电容器、储氢材料等方面具有广泛的应用前景。相比于薄膜状、粉末状的石墨烯，絮状石墨烯具有更大的比表面积和表面性能、更疏松的孔结构及表面结构，在超级电容器、吸附、催化剂载体等领域具有更大的应用价值。
目前，制备石墨烯采用的方法有：微机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、溶剂剥离法和溶剂热法等。其中氧化还原法一直被认为是工艺简单、可靠、可大规模生产石墨烯的有效途径，但是氧化还原法会造成石墨烯五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯材料的导电性能下降，并造成石墨烯材料的应用受到限制，为此我们提出一种能够在制备石墨烯的过程中增加石墨烯的导电性，并弥补石墨烯材料在氧化还原法制备过程中损失的电学性能，同时扩大石墨烯材料的应用范围的石墨烯制备方法来解决此问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯的制备方法及其设备，其能够在制备石墨烯的过程中增加石墨烯的导电性，并弥补石墨烯材料在氧化还原法制备过程中损失的电学性能，同时扩大石墨烯材料的应用范围，解决了目前在氧化还原法制备石墨烯的过程中，由于反应造成石墨烯的结构出现缺陷，导致石墨烯材料的导电性能下降，并造成石墨烯材料的应用受到限制的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
S1、取石墨进行粉碎和研磨制得石墨粉，将石墨粉和去离子水倒入搅拌设备的内部进行预先搅拌，同时向搅拌设备的内部添加50％-60％硝酸溶液搅拌20-30min，然后加入35％-75％重铬酸钾溶液进行氧化反应，反应时间为50-60min，反应后制得氧化石墨悬浮液；
S2、对步骤(S1)制得的氧化石墨悬浮液进行过滤，过滤后得氧化石墨固体物质，同时使用去离子水对氧化石墨固体进行冲洗，冲洗后在50-100℃下对的氧化石墨固体物质进行烘干得到纯净的氧化石墨粉末；
S3、将步骤(S2)中氧化石墨粉末投入纯水中制成溶剂，随后将氧化石墨粉末溶剂置于超声分散设备的内部，然后对氧化石墨粉末溶剂进行超声分散制得氧化石墨烯溶剂；
S4、向步骤(S3)的溶剂中投放45％-60％硼氢化钠溶液进行搅拌，在温度为30-60℃的条件下反应0.5-1.5h，反应结束后制得石墨烯悬浮液；
S5、向步骤(S4)中的石墨烯悬浮液投放导电添加剂进行搅拌，在搅拌1-2h后取出搅拌容器内的固体物，并对固体物进行过滤和烘干，便制得成品石墨烯粉末。
优选的，所述步骤(S1)中，在石墨进行粉碎和研磨后，对石墨粉进行筛选。
优选的，所述步骤(S1)中，预先搅拌的时间为10-15min，且搅拌转速为1000-1300r/min。
优选的，所述步骤(S2)中，在冲洗过程中测量冲洗后离子水的PH值，当离子水的PH值为6-7时，停止冲洗。
优选的，所述步骤(S3)中，超声分散的时间为0.5-1h。
优选的，所述步骤(S4)中，在反应结束后对石墨烯悬浮液进行冷却，同时添加纯水将石墨烯悬浮液的PH值调节至7。
优选的，所述步骤(S5)中，导电添加剂为石墨导电添加剂，且搅拌转速为2000-3000/min。
一种石墨烯的制备设备，包括搅拌反应釜和超声分散搅拌机，所述搅拌反应釜的一侧连接有过滤池，所述过滤池的另一侧连接有清洗池，所述清洗池的另一侧连接有烘干机。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明能够在制备石墨烯的过程中增加石墨烯的导电性，并弥补石墨烯材料在氧化还原法制备过程中损失的电学性能，同时扩大石墨烯材料的应用范围，解决了目前在氧化还原法制备石墨烯的过程中，由于反应造成石墨烯的结构出现缺陷，导致石墨烯材料的导电性能下降，并造成石墨烯材料的应用受到限制的问题；
2、通过在粉碎和研磨后对石墨粉进行筛选，其能够筛选出未粉碎完全的块状石墨，以免这些块状石墨参与反应，造成部分物料无法进行充分反应，同时影响物料的比例，并影响成品的质量，导致石墨烯的制备受到影响，通过对离子水和石墨粉进行预先搅拌，其使石墨粉均匀分布在离子水的内部，以便石墨粉与硝酸溶液和重铬酸钾溶液进行混合，其使反应更加彻底充分，并提升成品的质量，通过对氧化石墨固体进行冲洗，用以去除氧化石墨固体表面残留的硝酸溶液或重铬酸钾溶液，以保证硝酸溶液或重铬酸钾溶液不会影响后续步骤，同时对冲洗后离子水的PH值进行测量，离子水在冲洗过程中会携带硝酸溶液和重铬酸钾溶液残留，通过测量PH值的变化，用以确定氧化石墨固体表面是否还留有残留，当PH值为7时，则说明氧化石墨固体清洗完毕；
3、通过对氧化石墨进行超声分散，超声分散将超声波通入液体中，并利用超声波的振动和分散作用，使固液更加充分的混合，对大部分化学反应起到促进作用，并使氧化石墨分散成氧化石墨烯，同时使得氧化石墨烯更加均与的分布在溶液内部，有助于氧化石墨烯与还原剂充分混合，通过将石墨烯悬浮液的PH值调节至7，其能够对石墨烯悬浮液中的强酸或强碱进行稀释，避免强酸或强碱影响后续工艺，而致成品的质量受到影响，通过石墨导电添加剂的加入，石墨导电添加剂能够以电化学或离子等方式掺杂进入石墨烯的内部，并大幅度提升石墨烯的导电性能，通过搅拌反应釜、超声分散搅拌机、过滤池、清洗池和烘干机的设置，搅拌反应釜用于对物料进行搅拌和反应，超声分散搅拌机用于对物料进行分散、搅拌和反应，而过滤池能够对溶液或悬浮液进行过滤，清洗池则能够对固体物料进行清洗，且烘干机能够对清洗后的物料进行烘干。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明制备石墨烯设备的结构示意图；
图3为本发明超声分散搅拌机的结构示意图。
图中：1、搅拌反应釜；2、超声分散搅拌机；3、过滤池；4、清洗池；5、烘干机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
S1、取石墨进行粉碎和研磨制得石墨粉，将石墨粉和去离子水倒入搅拌设备的内部进行预先搅拌，同时向搅拌设备的内部添加55％硝酸溶液搅拌25min，然后加入60％重铬酸钾溶液进行氧化反应，反应时间为50min，反应后制得氧化石墨悬浮液；
S2、对步骤(S1)制得的氧化石墨悬浮液进行过滤，过滤后得氧化石墨固体物质，同时使用去离子水对氧化石墨固体进行冲洗，冲洗后在75℃下对的氧化石墨固体物质进行烘干得到纯净的氧化石墨粉末；
S3、将步骤(S2)中氧化石墨粉末投入纯水中制成溶剂，随后将氧化石墨粉末溶剂置于超声分散设备的内部，然后对氧化石墨粉末溶剂进行超声分散制得氧化石墨烯溶剂；
S4、向步骤(S3)的溶剂中投放50％硼氢化钠溶液进行搅拌，在温度为50℃的条件下反应1h，反应结束后制得石墨烯悬浮液；
S5、向步骤(S4)中的石墨烯悬浮液投放导电添加剂进行搅拌，在搅拌1.5h后取出搅拌容器内的固体物，并对固体物进行过滤和烘干，便制得成品石墨烯粉末。
本实施例中，在步骤(S1)中，在石墨进行粉碎和研磨后，对石墨粉进行筛选，通过在粉碎和研磨后对石墨粉进行筛选，其能够筛选出未粉碎完全的块状石墨，以免这些块状石墨参与反应，造成部分物料无法进行充分反应，同时影响物料的比例，并影响成品的质量，导致石墨烯的制备受到影响。
本实施例中，在步骤(S1)中，预先搅拌的时间为15min，且搅拌转速为1300r/min，通过对离子水和石墨粉进行预先搅拌，其使石墨粉均匀分布在离子水的内部，以便石墨粉与硝酸溶液和重铬酸钾溶液进行混合，其使反应更加彻底充分，并提升成品的质量。
本实施例中，在步骤(S2)中，在冲洗过程中测量冲洗后离子水的PH值，当离子水的PH值为7时，停止冲洗，通过对氧化石墨固体进行冲洗，用以去除氧化石墨固体表面残留的硝酸溶液或重铬酸钾溶液，以保证硝酸溶液或重铬酸钾溶液不会影响后续步骤，同时对冲洗后离子水的PH值进行测量，离子水在冲洗过程中会携带硝酸溶液和重铬酸钾溶液残留，通过测量PH值的变化，用以确定氧化石墨固体表面是否还留有残留，当PH值为7时，则说明氧化石墨固体清洗完毕。
本实施例中，在步骤(S3)中，超声分散的时间为0.5h，通过对氧化石墨进行超声分散，超声分散将超声波通入液体中，并利用超声波的振动和分散作用，使固液更加充分的混合，对大部分化学反应起到促进作用，并使氧化石墨分散成氧化石墨烯，同时使得氧化石墨烯更加均与的分布在溶液内部，有助于氧化石墨烯与还原剂充分混合。
本实施例中，在步骤(S4)中，在反应结束后对石墨烯悬浮液进行冷却，同时添加纯水将石墨烯悬浮液的PH值调节至7，通过将石墨烯悬浮液的PH值调节至7，其能够对石墨烯悬浮液中的强酸或强碱进行稀释，避免强酸或强碱影响后续工艺，而致成品的质量受到影响。
本实施例中，在步骤(S5)中，导电添加剂为石墨导电添加剂，且搅拌转速为3000/min，通过石墨导电添加剂的加入，石墨导电添加剂能够以电化学或离子等方式掺杂进入石墨烯的内部，并大幅度提升石墨烯的导电性能。
请参阅图2和3，一种石墨烯的制备设备，包括搅拌反应釜1和超声分散搅拌机2，搅拌反应釜1的一侧连接有过滤池3，过滤池3的另一侧连接有清洗池4，清洗池4的另一侧连接有烘干机5，通过搅拌反应釜1、超声分散搅拌机2、过滤池3、清洗池4和烘干机5的设置，搅拌反应釜1用于对物料进行搅拌和反应，超声分散搅拌机2用于对物料进行分散、搅拌和反应，而过滤池3能够对溶液或悬浮液进行过滤，清洗池4则能够对固体物料进行清洗，且烘干机5能够对清洗后的物料进行烘干。
本发明能够在制备石墨烯的过程中增加石墨烯的导电性，并弥补石墨烯材料在氧化还原法制备过程中损失的电学性能，同时扩大石墨烯材料的应用范围，解决了目前在氧化还原法制备石墨烯的过程中，由于反应造成石墨烯的结构出现缺陷，导致石墨烯材料的导电性能下降，并造成石墨烯材料的应用受到限制的问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。