[發明專利]一種石墨烯的低溫制備方法

無效

• 申請號: 201210309194.4
• 申請日: 2012-08-28
• 公開（公告）號: CN102807212A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 金先波;洪晏忠
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術領域

本發明涉及一種石墨烯的常壓低溫制備方法，屬于新型碳材料制備技術領域。

背景技術

石墨烯作為一種二維平面結構的新型碳材料，它因為具有優越的電子傳輸性能、高的比表面積、超高的導熱性和導電性，因而具有很多潛在的用途，比如超級電容器材料、液晶器件、電催化劑、傳感器等。

石墨烯通常有以下制備方法：機械剝離法、氣相沉積法、（電）化學還原剝離氧化石墨法、高溫膨脹剝離氧化石墨法等。其中，高溫膨脹剝離氧化石墨被認為最有希望用于石墨烯大量生產，但氧化石墨的膨脹剝離的起始溫度超過550℃，一般均要在900～1100^oC惰性氣氛或者真空條件下進行，這不僅導致制備條件苛刻，而且能耗很高。最近有研究者通過高真空輔助，實現了氧化石墨的低溫剝離，但是，由于氧化石墨膨脹剝離是一個大量產氣的過程，這顯著增加了高真空度獲得的難度，因而該方法不適合石墨烯的批量生產。此外，對于以氧化石墨為原料制備石墨烯，還存在氧化石墨本身的制備困難。

可見，現有石墨烯的制備技術或者工藝復雜、或者需要昂貴還原劑、或者溫度太高、或者能耗高甚至存在爆炸風險等。因此尚需進一步發展成本低、適合批量生產的石墨烯制備技術。

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發明內容

針對上述不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種石墨烯的低溫制備方法。

本發明對氧化石墨向石墨烯的轉化過程進行了探索。研究表明，當分離浸于硫酸溶液中的氧化石墨時，在保留固體分離產物中硫酸的情況下，所得到的氧化石墨與硫酸的復合物團聚塊可以在非常低的溫度下快速膨脹，膨脹產物為石墨烯。基于這一重要實驗發現，本發明提供了一種低成本、少污染、條件溫和的石墨烯制備新方法。該方法可實現石墨烯的低溫制備、工藝簡單、適合批量生產。所制備的石墨烯材料具有很高的電化學充放電容量。

本發明提供的具體的技術方案是：

一種石墨烯的低溫制備方法：將氧化石墨與硫酸的復合物在常壓或負壓下，在50～400℃進行熱處理，使氧化石墨轉化為石墨烯。

所述的氧化石墨與硫酸的復合物是將氧化石墨在硫酸溶液中浸泡，固液分離后得到的復合物。

所述的氧化石墨與硫酸的復合物也可以在含有硫酸的體系中將石墨氧化處理為氧化石墨后，經過固液分離得到的復合物。

上述方案中，優選地，熱處理時間為0.5～40分鐘。

上述方案中，在氧化石墨與硫酸的復合物中，優選地，硫酸中的硫元素占氧化石墨與硫酸總質量的1%～9%。

上述方案中，氧化石墨與硫酸的復合物的熱處理可在空氣、氮氣、氬氣、氧氣、氫氣、二氧化碳、氨氣中的一種或者多種氣氛中進行。

上述方案中，熱處理過程的加熱方式包括電熱、微波、太陽能或紅外加熱。

所述氧化石墨與硫酸的復合物，其中硫酸可以是吸附于氧化石墨之中，也可以是以硫酸分子的形式嵌入氧化石墨晶格之中形成夾雜化合物，或者二者兼而有之。氧化石墨與硫酸的復合物主要以表觀固態形式存在。由于硫酸及高比表面活性的氧化石墨均具有強吸水性，氧化石墨與硫酸的復合物中會含有適當水分，并隨液相的增多形成固液復合的存在形式。

本發明方法中，硫酸的存在對于復合物在較低溫度下迅速膨脹轉化為石墨烯的作用是明確的。實驗表明，當進一步洗滌復合物除去其中的硫酸至濾液難以用鋇離子檢測出硫酸根的存在時，所得到的氧化石墨材料在400^?oC及以下均未實現膨脹，也沒有轉化為石墨烯。而在硫酸存在的條件下，氧化石墨與硫酸復合物的團聚塊在70～400℃的溫度區間能發生快速膨脹。熱處理完成后，產物經水洗后檢測為石墨烯，表明發生了氧化石墨到石墨烯的化學轉化；而濾液成酸性，且含硫酸根，表明熱處理過程中硫酸主要起脫水、催化作用，因而，該方法同樣適于尺度更小的氧化石墨（包括通常所述的氧化石墨烯）向石墨烯的轉化。對于顆粒尺寸非常小的氧化石墨烯，其本身具有很大的質量比體積，其轉化溫度可以更低，但不會觀察到明顯的體積膨脹現象。

使用本發明方法制備石墨烯時，含有硫酸或其他強氧化劑的體系中將石墨粉處理為氧化石墨后，直接過濾，或者用水稍加洗滌后烘干既可。該洗滌過程可以快速進行，這得益于本發明方法為實現氧化石墨向石墨烯的低溫轉化，硫酸在復合物中含量不可或缺，適當提高復合物中的硫酸含量有利于降低熱處理溫度,因而無需徹底洗滌除去。