本發明涉及一種制備納米石墨片的化學方法，屬于碳材料技術領域。

背景技術：

近年來，由于碳材料結構的多樣性以及獨特的熱學、電學、光學等物理化學性質，因此廣泛地應用于催化、能源、氣體分離與吸附等領域。有鑒于此，越來越多的研究者們不斷地探索合成具有新型結構形貌與性質的碳材料。石墨化碳納米片由于具有較高的比表面積和導電性，因此同時受到了研究者們的大量關注。目前，合成石墨化碳材料的方法主要有高溫熱處理(2200～3000℃)與過渡金屬催化石墨化兩種方法。(Carbon,2004,42,3049-3055.Langmuir,2000,16,4367-4373.)高溫熱處理由于需要較大的能耗、生產設備昂貴以及所制備的石墨化碳產物比表面結較小的缺點，阻礙了石墨化碳材料的大規模應用。盡管催化石墨化的方法需要較低的溫度(～1000℃)，但在制備石墨化碳的過程中需要加入過渡金屬(或其氧化物)催化劑，這不僅增加了生產的成本，而且也增加了后處理中純化處理石墨化碳材料的難度。采用鈣、鎂等金屬還原CO₂可以制備納米石墨材料，但由于該反應非常劇烈，熱效應大，實際反應溫度超過1100℃，產物發生嚴重燒結。這些特征表明鈣、鎂等金屬與CO₂反應容易發生熱失控，不利于批量化生產納米石墨片材料。可見，發展一種納米石墨片高效、低成本的批量化制備方法仍然具有較大的挑戰性。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種工藝簡單、環保且易于批量化的納米石墨片的制備方法。

本發明提出在一定的溫度和壓力環境下，利用CaC₂與CO₂的反應來制備納米石墨片，該方法原料易得，操作簡單，適合大規模工業化生產。

本發明提供的技術方案具體如下：

一種納米石墨片的制備方法，包括以下步驟：首先將CaC₂粉末在CO₂氣氛的密閉容器中升溫至600～900℃，此時密閉容器內的氣壓≥0.1MPa，CaC₂粉末和CO₂氣體發生氧化還原反應，反應結束后將密閉容器自然冷卻至室溫，然后取出固體產物，依次用鹽酸、蒸餾水洗滌以除去固相副產物，最后烘干，即得納米石墨片。

所述納米石墨片的厚度為5～50nm。

優選地：

所述的密閉容器為不銹鋼反應釜。

所述的CaC₂粉末盛放于氧化鋁陶瓷坩堝中。

CaC₂粉末和CO₂氣體反應時的氣壓為0.1-5MPa。

反應時間≥1小時。

本發明具有以下優點和有益效果：

1.本發明中CaC₂原料可以通過CaO與生物質炭反應制得，來源非常廣泛；CO₂原料來源于大氣，因此能夠有效降低環境中的CO₂。

2.本發明中由于CaC₂與CO₂的反應比較溫和，因此其反應熱不會劇烈釋放，因此既有利于維持反應所需要的溫度，也不會導致熱失控發生。

3.本發明在制備納米石墨片的過程中操作簡單，原料廉價易得，反應溫度低，無需額外加入催化劑，并且產物的后處理簡單方便，因此整體來說所制備的納米石墨片成本低廉，適合工業化大規模生產。

附圖說明

圖1為本發明實施例1所制備的最終產物XRD圖。

圖2為本發明實施例1所制備的最終產物SEM圖。

圖3為本發明實施例2所制備的最終產物經乙醇分散超聲后的TEM圖。

具體實施方式

下面將結合附圖與實施例對本發明的技術方案進行具體的描述。本發明中，反應釜為不銹鋼耐高溫高壓的特種鋼，反應釜上方安裝有壓力閥，可以隨時監控反應體系的壓力變化。反應時CaC₂粉末盛裝在敞口高溫氧化鋁陶瓷容器之中。在反應過程中，為防止反應釜上方的密封圈老化，反應釜的上方周圍需持續通冷凝水。反應結束待溫度自然冷卻后，從反應釜中取出產物，依次用稀鹽酸、蒸餾水洗滌多次后，最后烘干得到納米石墨片產物。

實施例1

首先將1.28g CaC₂粉末均勻分散在氧化鋁陶瓷坩堝內，然后將氧化鋁陶瓷坩堝置于不銹鋼反應釜內，用硅膠密封圈將反應釜密封，隨后進行抽真空處理，接著向反應釜內通入一定壓力的CO₂氣體。將反應釜升溫至650℃，并且維持反應釜內壓力為0.5MPa，反應20h后將反應釜溫度自然降至室溫，取出坩堝內部的產物，依次用0.1M稀鹽酸、蒸餾水多次洗滌后，離心分離，最終所得固體粉末于80℃烘箱中烘干。圖1所示的XRD圖譜、以及圖2所示的SEM圖譜皆表明所制備的產物為納米石墨片，從XRD圖譜中我們可以看出所得產物具有較好的石墨化結構，從SEM圖譜中我們可以看出所得產物為片狀結構。

實施例2

首先將10g CaC₂粉末均勻分散在氧化鋁陶瓷坩堝內，然后將氧化鋁陶瓷坩堝置于不銹鋼反應釜內，通CO₂氣體將反應釜內空氣排空后密封。將釜溫控制在700℃左右，并且維持反應釜內部CO₂的壓力為0.5MPa。恒溫反應20h后，待反應釜溫度自然降至室溫，取出坩堝內部的產物，依次經0.1M稀鹽酸、蒸餾水多次洗滌過濾后，將最終所得固體粉末于80℃烘箱中烘干。將產物用乙醇超聲分散后進行TEM測試，結果如圖3所示，表明產物為厚度10-50nm的納米石墨片。

實施例3

首先將10g CaC₂粉末均勻分散在氧化鋁陶瓷坩堝內，然后將氧化鋁陶瓷坩堝置于不銹鋼反應釜內，用硅膠密封圈將反應釜密封，隨后進行抽真空處理，接著向反應釜內通入一定壓力的CO₂氣體。按照程序升溫的步驟，以10℃·min^-1的升溫速率將反應釜的溫度從室溫逐漸升溫至700℃，并且維持反應釜內部CO₂的壓力為5MPa。恒溫反應2h后，待反應釜溫度自然降至室溫，取出坩堝內部的產物，依次經0.1M稀鹽酸、蒸餾水多次洗滌后，最終所得固體粉末于80℃烘箱中烘干。XRD、SEM、TEM測試表明反應產物為納米石墨片。

實施例4

首先將5.0g CaC₂粉末均勻分散在氧化鋁陶瓷坩堝內，然后將氧化鋁陶瓷坩堝置于不銹鋼反應釜內，用硅膠密封圈將反應釜密封，隨后進行抽真空處理，接著往反應釜內通入一定壓力的CO₂氣體。按照程序升溫的步驟，以10℃·min^-1的升溫速率將反應釜的溫度從室溫逐漸升溫至800℃，并且維持反應釜內部CO₂的壓力為2MPa。恒溫反應5h后，待反應釜溫度自然降至室溫，取出坩堝內部的產物，依次經0.1M稀鹽酸、蒸餾水多次洗滌后，離心分離，最終所得固體粉末于80℃烘箱中烘干。其所得產物的表征結果與實施例1相同，說明產物為石墨化納米片結構的碳材料。