[發(fā)明專利]一種石墨烯的簡(jiǎn)易宏量制備及功能化的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210260383.7
• 申請(qǐng)日: 2012-07-25
• 公開（公告）號(hào): CN103570004A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 包信和;鄧德會(huì);潘秀蓮;陳曉琪;鄧澆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯的簡(jiǎn)易宏量制備及功能化的方法。

背景技術(shù)

石墨烯是由單層sp²雜化的碳組成的二維結(jié)晶體，它是碳的許多同素異形體如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。自從Gaim等于2004年首次剝離出孤立的石墨烯以來，石墨烯奇異的物理化學(xué)特性已引起了越來越多研究學(xué)者的關(guān)注。然而，目前石墨烯的研究依然處于基礎(chǔ)研究階段，制約石墨烯應(yīng)用的瓶頸主要是沒有廉價(jià)、高效的生產(chǎn)手段及方便快捷的功能化方法。

石墨烯制備方法主要包括透明膠帶剝離石墨法、碳化硅外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨剝離法。盡管透明膠帶剝離石墨烯的發(fā)明者Gaim和Novoselov已經(jīng)獲得2010年諾貝爾獎(jiǎng)，但是這種方法需耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，效率很低（K.S.Novoselov,A.K.Geim,et?al.,Science?306,666(2004)）。碳化硅外延生長(zhǎng)法和化學(xué)氣相沉積法需要較高的合成溫度，一般大于800°C（P.W.Sutter,J.I.Flege,E.A.Sutter,Nat.Mater.7,406(2008);W.Norimatsu,M.Kusunoki,Chem.Phys.Lett.468,52(2009)），另外，外延生長(zhǎng)的石墨烯一般附著在基底上，石墨烯與基底的分離或轉(zhuǎn)移也是一個(gè)技術(shù)難題。利用化學(xué)法在溶液中通過氧化石墨來剝離石墨烯已受到很多研究學(xué)者的青睞，但是這種方法大量用到的強(qiáng)氧化劑如KMnO₄、HNO₃和H₂SO₄等給環(huán)境造成了很大污染，而且其后續(xù)繁瑣的抽濾、洗滌及還原步驟增加了其生產(chǎn)成本(Y.Hernandez?et?al.,Nature?Nanotech.3,563(2008);M.Lotya?et?al.,J.Am.Chem.Soc.131,3611(2009))。因此，開發(fā)一種簡(jiǎn)便宏量制備石墨烯的方法顯得非常必要。

另外，石墨烯的功能化是拓寬石墨烯應(yīng)用的一個(gè)重要手段，目前石墨烯的功能化主要包括含氧官能團(tuán)的引入、雜原子的摻雜、及金屬納米顆粒的負(fù)載，石墨烯的功能化一般是通過石墨烯的后處理來進(jìn)行，這增加了額外的生產(chǎn)工序，因此，如果能在石墨烯的生產(chǎn)階段同時(shí)將其功能化將大大減少其生產(chǎn)成本。

基于此，我們開發(fā)了一種基于球磨石墨基材料的方法直接制備石墨烯，可以根據(jù)需要，通過在球磨的過程中引入功能化的分子直接合成出具有不同應(yīng)用功能的石墨烯。本方法所合成的石墨烯及功能化的石墨烯有望在催化、鋰離子電池、超級(jí)電容器、儲(chǔ)氫、傳感器等多個(gè)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開了一種石墨烯的簡(jiǎn)易宏量制備及功能化的方法。具體地說，該方法通過直接球磨石墨基材料得到石墨烯，通過改變球磨的時(shí)間、轉(zhuǎn)速和能量來調(diào)變所得石墨烯的尺寸；進(jìn)一步，通過在球磨的過程中添加功能化的分子可以得到功能化的石墨烯。

一種石墨烯的簡(jiǎn)易宏量制備及功能化的方法：

（1）將石墨基材料與若干球磨球在惰性氣體保護(hù)下密封至球磨罐中；

（2）將（1）中的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上球磨0.2–60小時(shí)；

（3）將球與樣品分離即得到石墨烯；

（4）將石墨基材料或（3）中所得石墨烯與功能化的分子一起球磨0.2–60小時(shí)，即得功能化的石墨烯。

所述石墨基材料可以是石墨、碳納米管、氮或硼摻雜的碳納米管的一種或兩種以上；

所述球磨球可以是不銹鋼球、瑪瑙球或氧化鋯球；球的直徑為3–15毫米；

所述球磨罐的材質(zhì)可以是不銹鋼、瑪瑙或氧化鋯；

所述球料比（質(zhì)量比）為120:1–10:1；

所述球磨轉(zhuǎn)速為：50–700轉(zhuǎn)/分；

所述惰性氣體是氮?dú)狻鍤饣蚝猓?/p>

可以通過直接將球取出或通過篩子將球與石墨烯分離；

所述功能化分子指氨水、水合肼、硼烷、氨硼烷、碳化硅、二茂鐵、酞菁鐵、酞菁鈷、羰基鐵中的一種或兩種以上；

所述石墨基材料或石墨烯與功能化分子質(zhì)量比為99:1–1:9。

本發(fā)明通過直接球磨石墨基材料得到石墨烯，通過改變球磨的時(shí)間、轉(zhuǎn)速和能量可以調(diào)變所得石墨烯的尺寸；通過球磨石墨基納米材料與功能化的分子可以得到功能化的石墨烯。本方法具有廉價(jià)、簡(jiǎn)單和易于操作的特點(diǎn)，能夠方便快速地實(shí)現(xiàn)石墨烯及其功能化產(chǎn)物的規(guī)模化生產(chǎn)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.原材料石墨基材料如天然石墨、碳納米管等，來源廣泛、價(jià)格低廉。