[發(fā)明專利]一種高純度、高濃度石墨烯懸浮液的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010164567.4
• 申請日: 2010-05-06
• 公開（公告）號: CN101830458A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 井新利;何偉;張偉娜
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種高純度、高濃度石墨烯懸浮液的制備方法。

背景技術(shù)

近年來，超聲波已被廣泛應(yīng)用于制備納米材料，它在穿過液體介質(zhì)時可產(chǎn)生強烈的空化和振動效應(yīng)，從而為化學(xué)反應(yīng)提供獨特的反應(yīng)場所，已經(jīng)發(fā)展成為一種普適的納米材料制備方法。超聲波的空化作用所產(chǎn)生的高溫和在固體表面所產(chǎn)生的大量微小氣泡降低了微小晶粒的比表面自由能，抑制了晶核聚集和長大；超聲波空化產(chǎn)生的強沖擊波和微射流對顆粒的剪切和破碎作用有效地減小了微小顆粒間的范德華力，從而有效阻止微小顆粒的團聚；超聲波在液體中又能形成流體的湍動，有利于微小顆粒的分散與懸浮液的穩(wěn)定。

石墨烯(Graphene)自2004年被英國曼徹斯特大學(xué)的Geim教授等發(fā)現(xiàn)以來，以其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，被預(yù)測在很多領(lǐng)域?qū)⒁鸶锩缘淖兓?Novoselov?K.S.et?al.Science，2004，306(5296)，666-669)。石墨烯作為碳元素中一種新的同素異形體，具有特殊的蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)，由單層碳原子組成，因此具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。石墨烯具有高的電子遷移率(2×10⁵cm²(V·s)^-1)，比硅半導(dǎo)體的電子遷移率高100倍，比砷化鎵的電子遷移率高20倍，可以廣泛用在電子器件和納米電路中。石墨烯是真正的表面性固體，單層石墨烯的理論比表面積高達2600m²·g^-1，是理想的儲能材料。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其理想強度高達110-130GPa；而且具有超高的導(dǎo)熱率，由無觸點測量技術(shù)得到的熱導(dǎo)率為3080-5150W·(m·K)^-1，可以廣泛用于復(fù)合材料中，提高復(fù)合材料的性能(Rao?C.N.R.et?al?Angewandte?Chemie-International?Edition，2009，48，7752-7778)。

石墨烯由于層與層之間強烈的π-π相互作用，極易團聚，使其加工和應(yīng)用受到了限制。石墨烯的優(yōu)異性能和它的單層結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，團聚導(dǎo)致石墨烯片層的堆砌使石墨烯的優(yōu)異性能難以表現(xiàn)出來。石墨烯的制備方法很多，例如化學(xué)氣相沉積、溶劑剝離和微機械剝離等，這些方法制備的石墨烯都存在可加工性差的缺點。石墨烯由大量純碳原子構(gòu)成，不易親水親油；石墨烯擁有高比表面積，層與層之間的范德華力使其極易發(fā)生不可逆團聚；石墨烯的難浸潤性使其難以分散于水或有機溶劑中制備成穩(wěn)定的石墨烯懸浮液。這些限制了石墨烯在旋涂、滴涂、噴涂、液-液自組裝和復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，制備出穩(wěn)定分散的高濃度石墨烯懸浮液則是拓展石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域的有效途徑。

氧化-還原法是制備石墨烯的重要方法之一，然而在通過還原劑使氧化石墨烯向石墨烯轉(zhuǎn)化的過程中，往往伴隨著石墨烯的團聚，難以得到穩(wěn)定分散的高濃度石墨烯懸浮液。早期，在還原過程中加入表面活性劑、聚合物或其它修飾劑能夠得到穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，但這些方法引入的雜質(zhì)降低了石墨烯的純度，導(dǎo)致石墨烯電導(dǎo)率降低、導(dǎo)熱性變差，限制了石墨烯的應(yīng)用。后來，學(xué)者在化學(xué)還原過程中利用氨水調(diào)節(jié)pH，借助靜電作用也能得到穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，但僅適用于較低濃度(0.5mg·mL^-1)，濃度過高就會發(fā)生團聚(Li，D.et?al.Nature?Nanotechnology，2008，3(2)，101-105)；利用微波和高溫(150℃)環(huán)境在N，N-二甲基乙酰胺中制備的石墨烯懸浮液也具有濃度低(0.56mg·mL^-1)，電導(dǎo)率低(200S·m^-1)的缺點。目前已有的方法很難制備出高電導(dǎo)率的石墨烯及其高濃度穩(wěn)定的懸浮液。因此，要拓展石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域，尋找一種簡單的穩(wěn)定的高濃度石墨烯懸浮液的制備方法顯得尤為迫切。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對目前石墨烯懸浮液制備中仍存在的局限，提供一種高純度、高濃度石墨烯懸浮液的制備方法。本發(fā)明借助超聲波作用制備出了高電導(dǎo)率的石墨烯及其穩(wěn)定分散的高濃度石墨烯懸浮液，并且降低了反應(yīng)溫度，縮短了反應(yīng)時間，使得生產(chǎn)工藝易于工業(yè)化。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

1)氧化石墨的制備：