一、石墨烯制备工艺流程
制备石墨烯的化学方程式:
石墨+浓H2SO4/浓HNO3+KMnO4→氧化石墨→(水合肼/NaBH4)→石墨烯,
氧化还原法先用强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等将石墨氧化成氧化石墨,氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团,从而加大了石墨层间距,然后经超声处理一段时间之后,就可形成单层或数层氧化石墨烯,再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。
二、石墨烯制备复合材料的工艺流程
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料,在锂电池导电浆料、涂料涂层、导热膜、柔性显示以及传感器方面都有应用。
石墨烯产业链上游主要包括石墨、碳化硅、甲烷、乙烯等;设备主要有化学气相沉积工艺设备、机械剥离工艺用设备、纤维工艺用设备等;中游主要有石墨烯粉体、石墨烯薄膜、石墨烯浆料、石墨烯纤维、石墨烯改性复合材料等;石墨烯下游主要应用于移动设备、航空航天、新能源电池等领域。
三、石墨烯制备工艺流程图
针对原料和用途的不同,相应的有几种不同方法。通常来讲有气相沉积法,氧化还原法,插层法。
1 气象沉积法主要是含碳气体(甲烷、依稀),在一定的温度和压力条件下,碳原子在生长基上附着,形成单层碳结构物质并逐渐生长。优点:所得石墨烯结构好,尺寸不受原料的限制。缺点:制备过程复杂,生产效率低。
2 氧化还原法是利用氧化剂将石墨逐层氧化,利用超声等方式将已氧化的层剥离。之后,利用还原剂将氧化石墨层还原,即得到石墨烯。优点:成本低廉,生产效率较高。缺点:制得石墨烯的尺寸由原料决定,所用氧化剂和还原剂有污染环境的可能。
3 插层法是将插层物质填充到石墨的层间隙中,比以此克服层间范德华力,使得各层分散开,从而得到石墨烯。该方法仍处于研发阶段。
四、石墨烯的工业制备方法
石墨烯分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜两大类。常见的石墨粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法。石墨烯薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。
1、机械剥离法
机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动,得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单,得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构
2、氧化还原法
氧化还原法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高猛酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化,增大石墨层之间的间距,在石墨层与层之间插入氧化物,制得氧化石墨。然后将反应物进行水洗,并对洗净后的固体进行低温干燥,制得氧化石墨。通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离,制得氧化石墨烯。
最后通过化学法将氧化石墨烯还原,得到石墨烯。这种方法操作简单,产量高,但是产品质量较低 。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸,以及使用大量的水进行清洗,带大较大的环境污染。
3、SiC外延法
SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下,使硅原子升华脱离材料,剩下的C原子通过自组形式重构,从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯,但是这种方法对设备要求较高。
扩展资料:
石墨烯的应用:
1、传感器
石墨烯可以做成化学传感器,这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的,根据部分学者的研究可知,石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。 石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。
石墨烯是电化学生物传感器的理想材料,石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。
2、晶体管
石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。
例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz,超过同等尺度的硅晶体管。
3、柔性显示屏
消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了又多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。
韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示,从理论上来讲,人们可以卷起智能手机,然后像铅笔一样将其别在而后。
五、石墨烯的工艺流程
玉米芯提炼石墨烯的工艺流程如下
1)。将玉米芯在硫酸中进行水解,得到木质纤维素;
2)。用处理剂在100?120℃处理该木质纤维素,得到多孔纤维素;
3)。用选自氯化铁等催化剂处理多孔纤维素,处理温度为80?120℃;
4)。在无氧环境下,依次将上一步获得的多孔纤维素置于300?1300℃保温,获得石墨烯前体(活性碳);
5)。分别用碱、酸和水洗涤该石墨烯前体,得到终产物石墨烯。
玉米芯→木质纤维素之回收率为80%,木质纤维素→石墨烯前体之回收率为10%,而石墨烯前体→石墨烯80%来估算,总体回收率低于10%算很正常。以15吨玉米芯能提炼出价值200万的石墨烯吗?我相信那还是以石墨烯每公斤2000元来算,大概产出石墨烯少于1吨。一般而言,以上述工艺来比对,棉柴灰分17.2%,玉米芯灰分5.1%,由此看出,玉米芯不太适合做粉末活性碳,原因是体密度太低,加上工艺需要烘干及加酸,其实不划算呀。