[發明專利]一種石墨烯片的制備方法

有效

• 申請號: 201210459726.2
• 申請日: 2012-11-15
• 公開（公告）號: CN102942177A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 呂樹申;符遠翔;王曉明;莫冬傳;潘亞宏
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 倪小敏

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技術領域

????本發明屬于碳材料制備領域，具體涉及一種石墨烯片的制備方法。

背景技術

石墨烯是一種蜂窩狀具有SP²雜化的碳材料，作為單層碳原子平面材料其厚度只有0.335nm，是已知材料中最薄的一種，并且非常堅固。石墨烯具有超高的傳導性能和載流子性能，可廣泛的應用到電子信息技術中；石墨烯具有超大的比表面積可達2630m²/g，如此高的比表面積使得石墨烯材料成為儲能的首選材料，極有可能應用到儲氫、超級電容器或者燃料電池中。2004年Geim通過膠帶法成功制備了石墨烯并通過實驗證明其是可單獨存在的二維晶體材料，此研究成果掀起了近年石墨烯研究的熱潮。然而量化制備石墨烯成為其廣泛應用的瓶頸，如何批量制備性能優良的石墨烯成為研究及其工業應用的關鍵技術。

目前已有的報道的制備方法主要有：機械剝離法、氧化石墨烯—還原方法、高溫解離法、外延增長法和電化學剝落等。氧化還原法是將自然石墨進行強酸強氧化劑處理成氧化石墨烯，經超聲分散后將氧化石墨烯通過還原成石墨烯。此方法的還原處理通常是直接化學還原法或者是高溫脫氧處理。直接化學還原通常用硼氫化物或者是肼作還原劑，通過化學反應去掉氧化石墨烯上具有的羥基、羧基和環氧基，不過硼氫化物和肼都是具有毒性的物質，可造成環境污染。

機械剝離法是運用機械剝離的方法從高定向的熱解石墨中剝離出來單層的石墨烯層，不過該方法將十分的耗時并具有很大的偶然性，并需要借助高倍率的顯微鏡才能分辯挑選石墨烯材料，此方法不適應工業大規模的生產。

外延增長法通常是在管式爐中通入碳源氣體（甲烷、乙炔等），并控制溫度為800℃~1300℃使氣體分解在金屬基或者是碳化硅基底上生成石墨烯。該方法可制備高性能大尺寸的石墨烯，可用于石墨烯的性能和電子器件的研究，但是需要的溫度很高且不可大批量的生產。

熱解法通常是將自然鱗片石墨進行氧化插層后，進行大于1000℃的高溫膨脹，再通過溶劑分散得到大量的石墨烯粉體，此方法要求氧化程度高，制備的石墨烯的純度低并具有更多的結構缺陷，同時制備的時需要的溫度更高，且制備的的石墨烯片的片層更厚。

發明內容

為了克服現有技術中存在不能批量制備石墨烯的不足，本發明所要解決的首要技術問題在于提供一種可控的批量石墨烯片的制備方法。

本發明的所要解決的技術問題通過以下技術方案予以實現：

一種制備石墨烯片的方法，包括如下步驟：

（1）將可膨脹石墨進行熱膨脹處理成蠕蟲狀石墨，再用堿性溶液浸泡，抽濾、洗滌后置于溶劑中進行超聲分散得微納米石墨烯片；

（2）將步驟（1）中制備得到的微納米石墨烯片分散到無機強質子酸中浸泡，抽濾后轉入H₂O₂溶液中浸泡，然后抽濾、洗滌、干燥；

（3）將經步驟（2）處理過的微納米石墨烯片轉移到無機飽和溶液或小分子溶劑中，分散后恒溫靜置，再經抽濾或干燥后進行二次膨脹；

（4）將經步驟（3）處理過的微納米石墨烯片轉移到溶劑中進行超聲分散，過濾干燥后轉移至具有還原保護氣氛的爐子中，進行高溫脫氧還原后即得石墨烯片。

作為一種優選方案，步驟（1）中所述的將可膨脹石墨進行熱膨脹處理，是指先進行一次以上超聲分散，然后再進行熱膨脹處理。

作為一種優選方案，步驟（1）中所述的可膨脹石墨為高碳低硫可膨脹石墨，根據制備的樣品選擇不同的尺寸粒徑，具有100ml~350ml/g的膨脹性能。

作為一種優選方案，步驟（1）中所述的膨脹處理，其膨脹溫度為400~1050℃；步驟（1）中所述的超聲分散，其分散時間為2~30h，超聲功率為50~1000W。

作為一種最優選方案，步驟（1）中所述的超聲分散，其分散時間為6~12h；超聲功率為200~600W。

作為一種優選方案，步驟（1）中所述的堿性溶液為氨水、NaOH或KOH溶液。

作為一種優選方案，所述的稀的堿性溶液的PH值為9~12。

作為一種優選方案，步驟（2）中所述的微納米石墨烯片是指在步驟（1）中制備得到的微納米石墨烯片中選擇厚度在10nm以上納微米級的石墨烯片。

作為一種優選方案，步驟（2）中所述的無機強質子酸為發煙硫酸或發煙硝酸或二者的混合；所述的H₂O₂溶液的濃度為1~30質量%。