[發(fā)明專利]一種石墨烯材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110189435.1
• 申請(qǐng)日: 2011-07-07
• 公開（公告）號(hào): CN102275908A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉洪濤;劉艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 袁靖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種與納米材料技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)的制備石墨烯材料的方法，具體涉及一種以新的處理方式得到石墨烯材料的方法。

背景技術(shù)

石墨烯，一種單層的碳原子緊密排列構(gòu)成的二維原子晶體材料。2004年由科學(xué)家Geim?A?K等人通過膠帶反復(fù)剝離石墨片獲得的石墨單片。在石墨烯被發(fā)現(xiàn)之前，理論和實(shí)驗(yàn)上都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)都無法在非絕對(duì)零度下穩(wěn)定存在，因此石墨烯的發(fā)現(xiàn)引起了全世界的關(guān)注，同時(shí)其發(fā)現(xiàn)者獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

其實(shí)，石墨烯是其他維度碳基材料的組成單位。零維的富勒烯可以看作是特定石墨烯形狀團(tuán)聚而成；一維的碳納米管可以看作是石墨烯卷曲而成的結(jié)構(gòu)；三維的石墨可以看作是由石墨烯經(jīng)過堆砌而成的。石墨烯雖然只有一個(gè)碳原子的厚度，而且是已知材料中最薄的一種，但是它的硬度比世界上最好的鋼鐵還要高100倍。導(dǎo)電性也是目前已知材料中最好的，電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這些優(yōu)越的性質(zhì)及特殊的二維結(jié)構(gòu)使得石墨烯擁有美好的發(fā)展前景。

由于石墨烯獨(dú)特的量子效應(yīng)和優(yōu)異的電化學(xué)性能。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。在電子器件與晶體管、光子傳感器、復(fù)合材料、太陽能電池、超級(jí)電容器、儲(chǔ)氫材料等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。作為超級(jí)電容器元件中儲(chǔ)存電荷的新型碳基材料，石墨烯的理論比表面積能夠達(dá)到2630m²g^-1，這意味著電解液中大量的正負(fù)電荷離子可以儲(chǔ)存在石墨烯單片中形成一個(gè)薄層，從而達(dá)到極高的電荷儲(chǔ)存水平，增加了電容量。這可以顯著改善電力及混合動(dòng)力交通工具的效率和性能。

石墨烯的制備方法，目前主要有機(jī)械剝離法、晶體外延生長法、加熱SiC方法、化學(xué)氧化還原法、化學(xué)氣沉積法、化學(xué)模板法和有機(jī)合成等眾多制備方法。

專利US7824651B2描述了一種基于超聲處理石墨片得到均勻分散在表面活性劑中的石墨烯的方法。該方法通過加入分散劑十二烷基硫酸鈉(SDS)，超聲2h，得到穩(wěn)定分散的石墨烯懸浮液；在專利US2798878中，使用化學(xué)氧化法，通過加入高錳酸鉀、濃硫酸、硝酸鈉等對(duì)熱解石墨進(jìn)行低溫強(qiáng)氧化處理，得到氧化石墨，超聲處理得到氧化石墨烯的方法；專利CN101549864A中，公開了一種通過傳統(tǒng)的Hummers法，制備得到氧化石墨，在超聲處理中獲得單層氧化石墨片，分散在還原劑中水熱法高溫反應(yīng)處理得到石墨烯片；專利CN101367516A中，在真空條件下使用傳統(tǒng)氧化法得到氧化石墨進(jìn)行高溫處理，制備氧化石墨烯。

目前，使用化學(xué)氧化還原得到石墨烯的方法是最普遍和廣泛的，即延承了Hummers氧化法，再經(jīng)過超聲分散得到了氧化石墨烯，最后還原劑還原，得到石墨烯。氧化石墨的氧化程度決定了氧化石墨烯的質(zhì)量。氧化程度越高，對(duì)于剝離氧化石墨越有利。專利CN101786620A中采用氧化-分散-還原三個(gè)步驟得到石墨烯，過程簡單，時(shí)間較短，但難以保證氧化石墨充分膨脹，因此所得的氧化石墨烯厚度很難控制。

本發(fā)明，在氧化石墨烯制備過程中，簡化了傳統(tǒng)的Hummers氧化法，在較低溫度下，通過不同階段對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分步氧化處理，得到氧化充分的氧化石墨，最終制備得到高質(zhì)量的GOP、GOS、GOF、GRP、GRS和GRF材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種成本低、產(chǎn)率高、質(zhì)量好、簡單可行，且更加可控的石墨烯材料的制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，

一種石墨烯材料的制備方法，包括以下的步驟：

1)在-10～0℃(可以是冰水浴或者冰鹽浴)下，將1～50g石墨加入到80～1200ml?98％濃硫酸中，攪拌均勻之后，加入1～30g固體硝酸鈉，充分?jǐn)嚢?.5～3h之后，分批量加入2～150g高錳酸鉀，每次0.1～5g，每次間隔時(shí)間為5-10分鐘，控制溫度不超過20℃，充分?jǐn)嚢?，反?yīng)4～12h，將溫度升至35～50℃，反應(yīng)24～36h；然后再分批加入3～150g高錳酸鉀(每次0.1～5g，每次間隔時(shí)間為5-10分鐘，控制溫度不超過20℃，充分?jǐn)嚢?，反應(yīng)4～12h得到黏稠物質(zhì)A；