[發明專利]一種少層石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201210049772.5
• 申請日: 2012-02-29
• 公開（公告）號: CN102583351A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 周明;秦祿昌;崔平;唐捷
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

技術領域

本發明涉及石墨烯材料技術領域，尤其涉及一種少層石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是碳原子在二維平面上以sp²雜化形成的具有蜂巢晶格結構的單原子層晶體，少層石墨烯則是指層數在3～10層的石墨烯薄片。自2004年石墨烯首次被科學家成功制備出以來(Novoselov，K.S.et?al.Science.2004，306，666)，這種新材料受到了科學家們的廣泛關注。由于石墨烯是零帶隙半導體，在其上運動的電子類似無質量的相對論粒子，因而石墨烯表現出超高(大于15000cm²/V·s)的電子遷移率(Morozov.S.V.et?al.Phys.Rev.Let.2008，100，016602)，有望用于發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。同時，石墨烯是現在世界上已知的最薄也是最硬的材料(Lee，C.et?al.Science.2008，321，385)，其每100納米距離上可承受的最大壓力達到約2.9微牛，這一結果相當于施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。不僅如此，石墨烯也是目前已知的比表面積最大的材料(理論比表面積達2675m²/g)，因而有望在超級電容器及鋰離子電池領域得到應用。另外，石墨烯在可見光波段是基本透明的(只吸收2.3％的光)(Nair，R.R.et?al.Science.2008，320，1308)，因此它也適用于制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

然而，實現這些應用需要大規模、低成本制備石墨烯，而目前石墨烯的制備方法或多或少存在一些問題。例如最初成功制備出石墨烯的機械剝離法，即用膠帶不斷撕石墨薄片的方法，雖然能得到高質量的石墨烯，但是耗時低產，不易實現大規模制備。又如后來廣泛使用的氧化石墨再還原的方法(Stankovich，S.Carbon.2007，45，1558-1565)，雖然能夠低成本、大規模制備石墨烯，但是得到的石墨烯含有大量的含氧基團和缺陷，其導電性能較低。化學氣相沉積技術的使用(Li，X.?S.et?al.Science.2009，324，1312-1314)一度給大規模制備高質量的石墨烯帶來曙光，然而該方法需要將石墨烯從基底上轉移下來的過程，該過程相當麻煩且不易操作，因而抑制了其大規模的工業化應用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對上述石墨烯制備技術中的不足，提供一種少層石墨烯的制備方法，該方法操作簡單、耗時少、成本低、石墨烯產率高、易于實現工業化大規模生產，利用該方法制備得到的石墨烯具有缺陷少、含氧基團少、電導率高的優點。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種少層石墨烯的制備方法，采用液相插層結合微波輻照技術，具體包括以下步驟：

步驟1、液相插層：將適量石墨顆粒加入到含有四烷基取代季胺鹽、水溶性無機堿和穩定劑的水溶液中，或者加入到含四烷基氫氧化銨和穩定劑的水溶液中，攪拌均勻后，將該懸濁液放置在超聲器中超聲處理，使四烷基取代季胺陽離子插入到石墨層間，形成石墨插層化合物，引起石墨層間距增大；然后過濾該懸濁液，將濾渣用去離子水和乙醇洗滌、干燥；

步驟2、微波輻照：將步驟1得到的濾渣放置在微波設備中進行微波輻照，使石墨插層物質發生分解，產生大量氣體，進一步增大石墨層間距；然后，將微波輻照產物分散在低極性有機溶劑中，在超聲器中進行超聲處理，使石墨發生剝離產生石墨烯；接著，將超聲處理產物放置在離心管中離心處理以沉淀未剝離完全的石墨，上層液體即為石墨烯分散液；最后，采用微孔濾膜過濾該石墨烯分散液并干燥，或者采用冷凍干燥技術處理該石墨烯分散液，即得到少層石墨烯。

上述技術方案中：

所述的步驟1中，四烷基取代季胺鹽與四烷基氫氧化銨中包含四烷基取代季胺陽離子，該四烷基取代季胺陽離子中的烷基包括但不限于甲基、乙基、丙基、丁基、戊基中的一種或幾種的任意組合。所述的四烷基取代季胺鹽中的陰離子包括但不限于鹵素離子、三氟硼酸離子、全氟辛基磺酸離子中的任意一種，其中所述的鹵素離子包括但不限于氟離子、氯離子、溴離子等中的任意一種。

所述的步驟1中，水溶性無機堿是指在水中可以電離出OH^-的無機堿，包括但不限于NH₃·H₂O、KOH、NaOH、LiOH中的一種或幾種的組合。

所述的步驟1中，穩定劑包括但不限于卟啉、十二烷基磺酸鈉、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯乙炔、芘、硫堇、曲拉通X-100、DNA，L-精氨酸等中的一種或幾種的組合。