[發明專利]電化學制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201210314278.7
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102807213A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 劉立偉;吳麗瓊;李偉偉;耿秀梅;李鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務所(普通合伙) 11264
• 代理人: 王鋒;孫東風

技術領域

本發明涉及一種石墨烯材料的制備方法，特別涉及一種電化學制備石墨烯的方法，屬于材料技術領域。

背景技術

石墨烯是繼富勒烯和碳納米管之后，在碳材料領域又一重大發現。石墨烯是由單層sp²雜化碳原子排列形成的蜂窩狀六角平面二維晶體，既可以堆積成為3D石墨，也可以卷曲成為1D?碳納米管，甚至可以包裹成0D?富勒烯。在二維平面上，sp²雜化的碳原子通過強的σ鍵與相鄰的三個碳原子連接，剩余的P電子軌道垂直于石墨烯平面，與周圍的原子形成大π鍵，使石墨烯具有良好的導電性。石墨烯的理論比表面積可達2630?m²/g。石墨烯的強度可達130?GPa，是鋼的100多倍。石墨烯的熱導率是金剛石的3倍，大約是5×10³?Wm^-1K^-1。石墨烯的載流子遷移率高達2.5×10⁵?cm²V^-1s^-1，是商業硅片遷移率的100倍。石墨烯的這些優異特性使其在光電子器件、化學電源（如太陽能電池、鋰離子電池）、氣體傳感器、催化劑和藥物載體、抗靜電和散熱材料等領域有巨大的潛在應用前景。石墨烯的大規模、低成本的制備是石墨烯研究和應用的關鍵問題之一。

目前，石墨烯的制備方法主要有機械剝離法、外延晶體生長、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法等。其中，機械剝離法雖能獲得高質量的石墨烯，但不能用于大規模生產，無法滿足工業化的需求；氧化石墨還原法雖然能夠以相對較低的成本制備出大量的石墨烯，然而石墨烯的電子結構以及晶體的完整性均受到強氧化劑嚴重的破壞，使其電子性質受到影響,?一定程度上限制了其在器件方面的應用。化學沉積法雖然可以制得大面積且性能優異的石墨烯，但現階段工藝的不成熟以及較高的成本限制了其大規模的應用。在國際前沿研究中，電化學法制備石墨烯近年來已引起充分的關注，該方法在制備過程中無需使用高錳酸鉀等強氧化劑，可避免強氧化劑對石墨烯結構和性能的破壞；無需使用堿金屬（K、Na）等易燃易爆物危險物，不引入有毒有害物質，環境友好；制備條件可控；成本低，適用于大規模生產，但是，現有電化學方法制備的石墨烯片層較厚，商品化石墨電極原料制得的石墨烯結構缺陷多，不能很好的滿足實際應用的需求。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的缺陷，提出一種電化學制備石墨烯的新方法，其能制取片層較薄，且結構缺陷較少的石墨烯材料，且成本低廉、對環境友好、適于大規模工業化生產。

為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

本發明的電化學制備石墨烯的方法包括：

以由膨脹石墨壓制形成的電極作為陽極，金屬或非金屬電極作為陰極，在所述的陽極和陰極之間施加電壓為1-10?V和/或電流密度為1-100?mA/cm²的條件下，以含硫酸的液相體系作為電解液進行電化學反應，反應產物經膨脹處理形成薄層石墨烯。

進一步的，所述膨脹石墨可通過電化學法、化學法和熱膨脹法中的任一種方法制得，但不限于此。

其中，化學法是無需通電的條件下，利用三氯化鐵、硫酸、磷酸、硝酸、鉀、鈉、溴化碘中的一種或幾種做插層劑插層石墨，將石墨插層物進行高溫或微波膨脹獲得膨脹石墨，其中高溫膨脹法是在空氣氛或惰性氣氛中，將高純石墨從室溫快速升溫至600-1000?^oC，幾秒后取出即得膨脹石墨。

作為優選方案之一，所述膨脹石墨的電化學制備工藝包括：

以由高純石墨壓制形成的電極作為陽極，金屬或非金屬電極作為陰極，在所述的陽極和陰極之間施加電壓為1-10?V和/或電流為1-100?mA/cm²的條件下，以含硫酸的液相體系作為電解液進行電化學反應，生成石墨插層物，石墨插層物的階數為1～10，所述石墨插層物經膨脹處理后，形成膨脹石墨。

作為優選方案之一，所述高純石墨原料顆粒大小為0.01-4mm。

作為優選方案之一，該方法中將膨脹石墨或高純石墨壓制形成電極時所用的壓力為1-50?MPa。

作為優選方案之一，在以高純石墨壓制形成電極的過程中，還在高純石墨原料中加入了熱粘結劑，并在溫度為0-400℃的條件下進行壓制操作，所述熱粘結劑至少選自聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚偏氟乙烯以及聚胺酯中的任意一種。

優選的，所述金屬或非金屬電極的材料可選自鉑，金，銀，銅，銅合金，鈦，鈦合金、鎳和石墨中的任意一種，且不限于此。