三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化方法

摘要

本发明提供了一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化方法，应用在经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程的纯化过程中，在氧化过程中，采用氧化性较小的氧化性溶液来进行氧化处理，在氧化之后采用过滤设备并结合纯净水对氧化的混合溶液过滤清洗，从而可以去除混合物中的不定型碳，为后续的进一步纯化提供了有利条件；本发明的氧化方法，由于采用的氧化性溶液的氧化性较小，可以减小对氧化设备的腐蚀损伤，延长其使用寿命，节约了成本；并且，有效地去除了混合物中的不定型碳，提高了纯化率。

权利要求

1.一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的纯化过程中的氧化方法，对含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的混合物进行纯化，其中，所述混合物还包括不定形碳、残留金属杂质或金属离子和硅杂质；其特征在于，所述纯化过程包括对所述混合物依次进行初步去除混合物中的大块金属杂质的磁分离过程、采用弱酸或稀释的强酸的酸化过程、氧化过程、采用弱碱或稀释的强碱的碱化过程和重液分离过程，所述酸化过程将所述混合物中的残留金属杂质或金属离子去除；所述酸化过程和所述碱化过程在常温常压下进行，所述氧化过程的氧化方法采用氧化设备和过滤设备，其包括：步骤01：将经所述酸化过程后的所述混合物置于氧化设备的氧化性溶液中；其中，所述氧化性溶液为氧化性较小的弱氧化性溶液；

步骤02：在常温常压下，对所述混合物进行氧化处理；

步骤03：经一定的氧化时间后，将经氧化处理的混合溶液置于过滤设备中；

步骤04：采用纯净水和过滤设备对所述混合溶液进行过滤清洗，从而将所述混合物中的不定型碳去除。

2.根据权利要求1所述的氧化方法，其特征在于，所述氧化性溶液中包括：浓度小于

30％的硫酸、浓度小于30％的高锰酸钾、以及浓度小于40％的双氧水。

3.根据权利要求1所述的氧化方法，其特征在于，所述酸化时间为1-5小时。

4.根据权利要求1所述的氧化方法，其特征在于，所述残留金属杂质或金属离子为Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn。

5.根据权利要求1所述的氧化方法，其特征在于，在所述氧化过程后还包含再酸化过程，再酸化过程进一步去除氧化过程后所残留在混合物中的微量金属离子。

6.根据权利要求1所述的氧化方法，其特征在于，所述过滤设备的过滤孔径为10-200纳米。

7.根据权利要求1所述的氧化方法，其特征在于，所述纯净水的电导率小于5μs/cm。

8.根据权利要求1所述的氧化方法，其特征在于，所述步骤04中，所述过滤清洗过程包括：向所述过滤设备中加入纯净水对混合溶液进行反复过滤清洗，直至所述混合溶液的pH 值在3-9之间即完成过滤清洗。

说明书

三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及化工工艺技术领域，具体涉及一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化方法。

背景技术

[0002] 石墨烯是由单层SP2杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，其结构稳定，具有优良的导电导热特性、良好的机械特性，因而得到了广泛的研究。石墨烯已经被制备出来并应用在能源存储、透明电极、机械驱动器等领域。为了能够进一步开发石墨烯的潜在应用，尤其在能量存储转化方面，除了二维石墨烯薄膜外，三维石墨烯结构也已经能够制备出来，并且，近年来三维石墨烯包覆氧化物、碳材料等材料开始得到广泛研究，例如，三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石，由于三维石墨烯的包覆，显著提高了被包覆的纳米金刚石材料的导电率，并且结合了石墨烯的优良特性，这些复合物的的导电性能会显著增加，在催化、电容器、和储能方面也表现出优良的性能，已成为物理和半导体电子研究领域的国际前沿和热点之一。

[0003] 通常，三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的制备采用热膨胀法等方法，在制备该材料之后，在所得到的混合溶液里还有其它杂质，例如，、不定形碳、残留金属杂质或金属离子、硅杂质等，因此，需要对该材料的混合溶液进行纯化处理，将三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石提取出来。

[0004] 现有的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化方法中包括高温高压条件下，采用强酸和强碱间歇振荡纯化，例如，采用硝酸或硫酸、和双氧水的混合溶液或王水等，通过反复振荡分离、过滤以达到纯化的目的。

[0005] 然而，采用强酸、强碱对纯化的设备具有强烈的腐蚀性，会缩短设备的使用寿命，增加生产成本；并且，上述方法得到纯化率并不高，甚至需要大量的反复过滤，增加了生产时间，从而降低了生产效率，进一步增加了生产成本。

发明内容

[0006] 为了克服以上问题，本发明旨在提供一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的纯化过程中的氧化方法，已达到提高纯化率和减少对设备的腐蚀的目的。

[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0008] 本发明提供了一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化方法，对含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的混合物进行纯化过程中，其特征在于，所述纯化过程包括对所述混合物进行磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；所述氧化过程的氧化方法采用氧化设备和过滤设备，其包括：

[0009] 步骤01：将经所述酸化过程后的所述混合物置于氧化设备的氧化性溶液中；

[0010] 步骤02：在常温常压下，对所述混合物进行氧化处理；

[0011] 步骤03：经一定的氧化时间后，将经氧化处理的混合溶液置于过滤设备中；

[0012] 步骤04：采用纯净水和过滤设备对所述混合溶液进行过滤清洗，从而将所述混合物中的不定型碳去除。

[0013] 优选地，所述氧化性溶液中包括：浓度小于30％的硫酸、浓度小于30％的高锰酸钾、以及浓度小于40％的双氧水。

[0014] 优选地，所述氧化时间为1-5小时。

[0015] 优选地，所述过滤设备的过滤孔径为10-200纳米。

[0016] 优选地，所述纯净水的电导率小于5μs/cm。

[0017] 优选地，所述步骤04中，所述过滤清洗过程包括：向所述过滤设备中加入纯净水对混合溶液进行反复过滤清洗，直至所述混合溶液的PH值在3-9之间即完成过滤清洗。

[0018] 本发明的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化方法，应用在混合物经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程中，在氧化过程中，采用氧化性较小的氧化性溶液来进行氧化处理，在氧化之后采用过滤设备并结合纯净水对氧化的混合溶液过滤清洗，从而可以去除混合物中的不定型碳，为后续的进一步纯化提供了有利条件；本发明的氧化方法，由于采用的氧化性溶液的氧化性较小，可以减小对氧化设备的腐蚀损伤，延长其使用寿命，节约了成本；并且，有效地去除了混合物中的不定型碳，提高了纯化率。

附图说明

[0019] 图1为本发明的一个较佳实施例的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化方法的流程示意图

[0020] 图2为本发明的一个较佳实施例的氧化方法的设备关系图

具体实施方式

[0021] 为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

[0022] 如前所述，现有的纯化方法，需要在高温高压条件下，采用强酸强碱进行间歇性振荡分离，不仅严重腐蚀设备缩短设备寿命，增加工艺时间和增加工艺成本，而且纯化效果也不理想，往往需要大量地反复分离，进一步增加了生产成本；为此本发明提出了一种三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的纯化过程中的氧化方法，应用于包括经历磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程的纯化中，其氧化过程，采用氧化性较小的氧化性溶液来进行氧化处理，氧化处理之后采用过滤设备并结合纯净水对氧化的混合溶液过滤清洗，从而可以去除混合物中的不定型碳，为后续的进一步纯化提供了有利条件。

[0023] 本发明中，对三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料进行制备过程可以具体包括：

[0024] 步骤L1：设计配方；配方包括各种原料的配比，本实施例中，配方由如下原料组成：三硝基甲苯；黑索金/奥克托金；金属。各原料的配比可以根据实际工艺需要来设定。例如，重量百分比为20的三硝基甲苯；重量百分比为60％的黑索金，以及20％的金属。

[0025] 步骤L2：根据配方制备出含能材料；

[0026] 具体的，可以将配方中的各原料混合均匀，然后压制成型，即为含能材料。这里需要说明的是，含能材料可以包括炸药、点火药、起爆药等。

[0027] 步骤L3：将含能材料装入反应腔中；

[0028] 具体的，含能材料可以浸入含水容器中，然后将含水容器吊在含能材料反应器中；

[0029] 步骤L4：触发含能材料合成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料；

[0030] 具体的，触发含能材料的方法有很多种，比如雷管触发。通过含能材料产生的高能量，使游离碳反应形成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料；同时，不可避免地会产生不定形碳、硅、金属粒子等杂质，使得产物为包含有三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料的混合物；需要对该混合物进行纯化，以得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

[0031] 需要说明是，本发明中的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料还可以采用现有的方法，这是为本领域技术人员可以知晓的，本发明对此不再赘述。

[0032] 本发明对制备好的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的混合物进行纯化，纯化过程包括进行磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程中；具体的，可以包括依次进行磁分离、酸化、氧化、碱化和重液分离过程，也可以包括依次进行磁分离、酸化、氧化、碱化、再酸化和重液分离过程；这里的酸化过程可以是一次酸化处理过程，也可是多次酸化处理过程，本发明可以应用于包括多次酸化处理过程的纯化过程中。

[0033] 其氧化过程的氧化方法中采用氧化设备和过滤设备；氧化方法包括：

[0034] 步骤01：将经酸化过程后的混合物置于氧化设备的氧化性溶液中；

[0035] 步骤02：在常温常压下，对混合物进行氧化处理；

[0036] 步骤03：经一定的氧化时间后，将经氧化处理的混合溶液置于过滤设备中；

[0037] 步骤04：采用纯净水和过滤设备对混合溶液进行过滤清洗，从而将混合物中的不定形碳去除。

[0038] 需要说明的是，这里的氧化过程可以是一次氧化处理，也可是多次氧化处理，本发明的氧化方法可以应用于每次氧化处理中。

[0039] 以下将结合附图1-2和具体实施例对本发明的纯化三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石过程中的氧化方法作进一步详细说明。其中，图1为本发明的一个较佳实施例的纯化三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石过程中的氧化方法的流程示意图；图2为本发明的一个较佳实施例的氧化方法的设备关系图。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

[0040] 本实施例中的纯化过程包括：

[0041] 对混合物依次进行磁分离过程、酸化、氧化、碱化和重液分离过程；

[0042] 其中，磁分离过程可以采用磁力分离设备a和自动控制装置，磁分离过程可以初步去除混合物中的大块金属杂质；酸化过程可以在常温常压下进行，将混合物置于酸性溶液中，采用的酸性反应物可以为弱酸，也可以为稀释的强酸，比如，亚硫酸，碳酸，次氯酸，氢硫酸等弱酸，或稀释的盐酸等，这是因为稀释的强酸的腐蚀性相对减小，最大限度的减小对酸性设备的腐蚀损伤；该酸化过程可以将混合物中的金属粒子杂质去除包括去除微量金属元素，例如，Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn等；碱化过程可以在常温常压条件下进行，将混合物置于碱性溶液中，所采用碱性反应物可以为稀释的强碱溶液，也可以为弱碱溶液，例如，NH3·H2O等，或稀释的氢氧化钠；该碱化过程可以将混合物中的硅杂质去除。重液分离过程可以为离心过程，在常温常压条件下进行，采用高转速离心设备，比如，自卸式高转速离心机。转速可以为10000-30000转/分钟，时间可以为30-300秒，从而将混合物提取出来。重液分离过程可以去除混合物中的水分，达到对混合物进行干燥处理的目的。

[0043] 该纯化过程还可以包含再酸化过程，再酸化过程是为了进一步去除残留在混合物中的微量金属离子包括前续的氧化过程所残留的K离子、Mn离子等。可以在常温常压下，采用弱酸溶液或稀释的强酸溶液，在酸化反应腔中进行，所采用的弱酸溶液可以为亚硫酸，碳酸，次氯酸，氢硫酸等，或稀释的盐酸。例如，浓度小于15％的稀盐酸，在常温常压条件下，再酸化时间为1-5个小时；然后再过滤。

[0044] 在本实施例的纯化过程中，请参阅图1和2，本实施例中的氧化方法采用了氧化设备和过滤设备，该氧化方法具体包括：

[0045] 步骤01：将经酸化过程后的混合物置于氧化设备a中的氧化性溶液中；

[0046] 具体的，将混合物置于氧化性溶液中，可以采用弱酸溶液，例如氧化性溶液包括：浓度小于30％的硫酸、浓度小于30％的高锰酸钾、以及浓度小于40％的双氧水。

[0047] 如图2所示，本实施例中，氧化反应设备中具有两个氧化反应腔a，然则在本发明中对氧化反应腔a的数量不作限制。

[0048] 步骤02：在常温常压下，对混合物进行氧化处理；

[0049] 具体的，在常温常压下，如图2所示，这里氧化处理在氧化设备a的氧化反应腔中进行，这里，氧化设备可以是耐酸反应釜，配合电导仪一起使用。

[0050] 步骤03：经一定的氧化时间后，将经氧化处理的混合溶液置于过滤设备中；

[0051] 具体的，本实施例中的氧化时间可以为1-5个小时。

[0052] 步骤04：采用纯净水和过滤设备b对混合溶液进行过滤清洗，从而将混合物中的不定型碳去除。

[0053] 具体的，过滤设备b可以为陶瓷膜，从而可以采用陶瓷膜和纯净水对混合溶液进行过滤清洗，从而去除不定型碳。这里，陶瓷膜b的过滤孔的孔径可以为10-200纳米，纯净水的电导率可以小于5μs，所洗的混合溶液的PH值在3-9之间；可以采用自控装置来控制这一过程，本发明对此不作限制。

[0054] 本实施例中，该过滤清洗过程包括：向过滤设备中加入纯净水对混合溶液进行反复过滤清洗，直至混合溶液的PH值在3-9之间即完成过滤清洗。

[0055] 该氧化过程可以将混合物中的不定型碳去除；这是由于制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的过程中，会形成一些不定形碳，需要将其去除；采用氧化性溶液，可以将不定形碳进行氧化，生成CO2气体而从混合溶液中排出，从而与呈固态的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石相分离。

[0056] 再进行过滤，可以将呈固态的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料和一些固态物质包括单粒子纳米金刚石分离出来。最后经后续的碱化、重液分离或者碱化、再酸化和重液分离过程将硅、金属离子等杂质排除掉，最终得到纯度较高的三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石材料。

[0057] 综上所述，通过本发明的氧化方法，由于采用氧化性较小的氧化性溶液，可以减小对氧化设备的腐蚀损伤，延长其使用寿命，节约了成本；并且，有效地去除了经氧化过程后的混合物中的不定型碳，提高了纯化率。

[0058] 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。