一種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法，屬于工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料。石墨 烯的發(fā)現(xiàn)宣告了真正意義上獨(dú)立存在的二維材料，石墨烯吸光率僅為2. 3% ;導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 5300W/m?K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過(guò)15000cm2/V?s，而電阻率只 約KT6Q?cm，比銅或銀更低，為電阻率最小的材料。由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電 學(xué)性能等，使其在物理學(xué)、化學(xué)、微電子學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 石墨烯的高機(jī)械強(qiáng)度，使其能夠用于微機(jī)電和納機(jī)電系統(tǒng)期間的制造，在宏觀領(lǐng) 域在超輕防彈衣、超薄超輕型飛機(jī)材料等，也有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。此外，石墨烯減小到納 米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。由 于石墨烯鋸齒形邊緣態(tài)的存在，使石墨烯納米帶有望成為納米子軒電子學(xué)中的基本組件， 實(shí)現(xiàn)納米電子器件的功能。
[0004] 傳統(tǒng)石墨烯制備方法主要有：機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化法、晶體外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣 相沉積法、溶劑剝離法。機(jī)械剝離法通過(guò)實(shí)驗(yàn)用膠帶反復(fù)剝離的方式獲得單層石墨烯，具有 較高的質(zhì)量，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)要求。化學(xué)氧化法通過(guò)合成 氧化石墨烯后通過(guò)還原氧化石墨烯得到石墨烯薄膜，這種方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，但制備 出的石墨烯質(zhì)量較低。晶體外延生長(zhǎng)法指通過(guò)加熱單晶SiC脫除Si，從而得到在SiC表面 外延的石墨條。這種方法條件苛刻（尚溫、尚真空）、且制造的石墨條不易以從襯底上分尚 出來(lái)，難以能成為大量制造石墨烯的方法?；瘜W(xué)氣相沉積是反應(yīng)物質(zhì)在相當(dāng)高的溫度、氣態(tài) 條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得石墨烯薄膜 的工藝技術(shù)?；瘜W(xué)氣相沉積法可滿(mǎn)足規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量、大面積石墨烯的要求，但現(xiàn)階段成 本較高、工藝復(fù)雜。溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散 液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，進(jìn)行層層剝離，制備出石墨烯。此種方法 與插層剝離類(lèi)似，產(chǎn)物中單層率不高，且長(zhǎng)時(shí)間超聲可能會(huì)破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，所得的片層 尺寸也較小。綜上，對(duì)于石墨烯制備方面，目前沒(méi)有一種制備方法足夠成熟，可應(yīng)用于低成 本的大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有石墨烯的制備方法對(duì)反應(yīng)儀器要求高、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、石墨烯結(jié)晶性差、能 耗和生產(chǎn)成本高且工藝要求高的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種利用電爆炸制備石墨烯 材料的方法，所述方法生產(chǎn)要求低，工藝控制簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的工藝控制即可獲得結(jié)晶 性好的石墨烯粉體。
[0006] 其中，電爆炸是指在一定的介質(zhì)（不同氣體、液體）中或真空條件下，通過(guò)大電容 高壓放電，使極高的電流通過(guò)金屬、非金屬細(xì)絲，歐姆加熱效應(yīng)使足夠大的能量在絲或箔內(nèi) 迅速積聚，使絲發(fā)生相變，發(fā)生爆炸聲和閃光等復(fù)雜的物理過(guò)程。強(qiáng)大的電流使導(dǎo)體熔化、 汽化、膨脹形成沖擊波且伴隨等離子態(tài)氣體團(tuán)的形成和擴(kuò)散，具有較強(qiáng)的力、光、熱、電磁等 效應(yīng)。
[0007] 本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法，所述方法具體步驟如下：
[0009] (1)組裝和調(diào)試電爆炸系統(tǒng)，使電爆炸罐上的兩個(gè)電極的間距為50mm±0. 5mm;將 純度大于等于99. 9%的石墨棒固定于所述電極之間；
[0010] (2)向電爆炸罐中加入蒸餾水，將電爆炸罐密封；其中，蒸餾水的添加量為沒(méi)過(guò)電 極2~3cm;
[0011] (3)向電爆炸系統(tǒng)中的高壓電容組充電，使高壓電容組的電壓達(dá)18~25kV，啟動(dòng) 電爆炸系統(tǒng)，進(jìn)行放電；
[0012] (4)待高壓電容組的電壓為OkV時(shí)，打開(kāi)電爆炸罐，收集電爆炸罐內(nèi)的懸濁液；
[0013] (5)將懸濁液進(jìn)行超聲分散，靜置使懸濁液中的固體顆粒充分沉降，過(guò)濾，取濾液 進(jìn)行觀察；若在濾液中通過(guò)肉眼能觀察到固體顆粒，則重復(fù)進(jìn)行靜置和過(guò)濾處理；若在濾 液中通過(guò)肉眼不能觀察到固體顆粒，則進(jìn)入步驟（6);
[0014] (6)向?yàn)V液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽酸，于50~70°C下反應(yīng)5~10h，過(guò)濾，得 到固體a;用去離子水洗絳固體a至pH= 7,于-50~-55°C下真空干燥24~48h，得到本 發(fā)明所述石墨烯材料；所述濾液與鹽酸的體積比為1:2~4。
[0015] 其中，步驟（1)所述電爆炸系統(tǒng)主要包括充電電源、高壓電容組和電爆炸罐；所述 充電電源、高壓電容組和電爆炸罐通過(guò)線(xiàn)纜依次連接；其中，所述高壓電容組的電容值為 78. 8yF，電壓在10~30kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)；所述電爆炸罐主要包括進(jìn)氣閥、排氣閥、罐蓋、電 爆炸罐本體、絕緣耐高溫尼龍塊、固定銷(xiāo)、電極棒、固定接頭、電極夾頭，以及外圍設(shè)備真空 泵；其中，所述電爆炸罐本體上部設(shè)有可拆卸的罐蓋，兩者之間設(shè)有密封圈；在罐蓋上設(shè)有 進(jìn)氣閥和排氣閥；兩根電極棒分別通過(guò)絕緣耐高溫尼龍塊和固定銷(xiāo)相對(duì)安裝在電爆炸罐本 體上，所述電極棒穿過(guò)電爆炸罐本體，一端位于電爆炸罐本體內(nèi)部，另一端位于電爆炸罐本 體外部；通過(guò)固定接頭將電極夾頭安裝在電極棒位于電爆炸罐本體內(nèi)部的一端；真空泵通 過(guò)排氣閥與電爆炸罐連接；
[0016] 所述電爆炸罐本體的壁厚為20mm，內(nèi)徑為? 120mm，深為150mm，構(gòu)成材料為不銹 鋼；
[0017] 步驟⑴所述石墨棒直徑優(yōu)選?3. 5mm，長(zhǎng)度優(yōu)選55 ±0. 5mm;
[0018] 步驟（5)所述超聲分散參數(shù)為：超聲波發(fā)生器功率優(yōu)選100W，超聲時(shí)間優(yōu)選Ih; 所述靜置時(shí)間優(yōu)選20~30h;
[0019] 有益效果
[0020] (1)本發(fā)明所述方法對(duì)生產(chǎn)要求低，工藝控制簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的工藝控制，所 述方法制備得到的石墨烯材料結(jié)晶性好，石墨烯分子層數(shù)僅為1~6層，屬于寡層石墨烯。
[0021] (2)本發(fā)明所述方法生產(chǎn)成本低，采用的電爆炸罐無(wú)需采用特種鋼材或其他有色 金屬合金材料，便于加工，且原料易得。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為以下實(shí)施例中采用的電爆炸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為以下實(shí)施例中采用的電爆炸罐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為實(shí)施例1中制備得到的石墨烯材料的拉曼光譜圖；
[0025] 圖4為實(shí)施例1中制備得到的石墨烯材料的掃描電鏡照片；
[0026] 圖5為實(shí)施例1中制備得到的石墨烯材料的透射電鏡照片；
[0027] 圖6為實(shí)施例1中制備得到的石墨烯材料的高分辨透射電鏡照片；
[0028] 其中，1-進(jìn)氣閥、2-排氣閥、3-罐蓋、4-電爆炸罐本體、5-固定銷(xiāo)、6-絕緣耐高溫 尼龍塊、7-電極、8-固定接頭、9-電極夾頭、10-充電電源、11-高壓電容組、12-電爆炸罐。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)詳述本發(fā)明，但不限于此。
[0030] 以下實(shí)施例中提到的主要儀器與設(shè)備信息見(jiàn)表2。
[0031] 以下實(shí)施例中選用的石墨棒是由深圳協(xié)力石墨公司生產(chǎn)，其純度彡99.9%。
[0032] 表 1
[0033]
[0034] 以下實(shí)施例中采用的電爆炸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要包括充電電 源、高壓電容組和電爆炸罐；所述充電電源、高壓電容組和電爆炸罐通過(guò)線(xiàn)纜依次連接；其 中，所述高壓電容組的電容值為78. 8yF，電壓在10~30kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)；所述電爆炸罐包 括進(jìn)氣閥1、排氣閥2、罐蓋3、電爆炸罐本體4、絕緣耐高溫尼龍塊6、固定銷(xiāo)5、電極棒7、固 定接頭8、電極夾頭9,以及外圍設(shè)備真空泵。其中，所述電爆炸罐本體4上部設(shè)有可拆卸的 罐蓋3,兩者之間設(shè)有密封圈；在罐蓋3上設(shè)有進(jìn)氣閥1和排氣閥2 ;兩根電極棒7分別通過(guò) 絕緣耐高溫尼龍塊6和固定銷(xiāo)5相對(duì)安裝在電爆炸罐本體4上，所述電極棒7穿過(guò)電爆炸 罐本體4, 一端位于電爆炸罐本體4內(nèi)部，另一端位于電爆炸罐本體4外部；通過(guò)固定接頭8 將電極夾頭安9裝在電極棒7位于電爆炸罐本體4內(nèi)部的一端；真空泵通過(guò)排氣閥2與所 述電爆炸罐連接。
[0035] 所述電爆炸罐本體為不銹鋼材質(zhì)，壁厚20mm，內(nèi)徑? 120mm，深150mm。
[0036] 實(shí)施例I
[0037] -種利用電爆炸制備石墨烯材料的方法，所述方法具體步驟如下：
[0038] (1)組裝和調(diào)試電爆炸系統(tǒng)，使電爆炸罐上的兩個(gè)電極的間距為50mm±0. 5mm; 選取純度為99. 9%，直徑為?3. 5mm的石墨棒進(jìn)行截取，并磨平端面，獲得尺寸為 3. 5mmX50mm±0. 5mm的石墨棒；通過(guò)電極夾頭將所述石墨棒固定于兩電極之間；
[0039] (2)用無(wú)水乙醇清潔電爆炸罐，并用熱風(fēng)機(jī)吹干；向電爆炸罐中倒入蒸餾水，使之 沒(méi)過(guò)電爆炸罐的電極2cm，通過(guò)罐蓋將電爆炸罐密封；
[0040] (3)向電爆炸系統(tǒng)中的高壓電容組充電，使高壓電容組的電壓達(dá)25kV，啟動(dòng)電爆 炸系統(tǒng)，進(jìn)行放電；
[0041] (4)待高壓電容組的電壓為OkV時(shí)，打開(kāi)電爆炸罐，將富含石墨烯材料的蒸餾水懸 濁液倒入事先準(zhǔn)備的潔凈的試劑瓶中，備用；
[0042] (5)用超聲波清洗器對(duì)裝有石墨烯材料懸濁液的試劑瓶于3