[發(fā)明專利]制備石墨烯的新方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210528688.1
• 申請(qǐng)日: 2012-12-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103864058A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陽(yáng)海;孫旭平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陽(yáng)海
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯制備領(lǐng)域，在石墨粉中分別加入氯磺酸和濃硫酸以及雙氧水，剝離后，經(jīng)分離制備高質(zhì)量石墨烯。

背景技術(shù)

從2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯作為一種新型碳材料備受關(guān)注。它是一種厚度僅為單原子層或數(shù)個(gè)單原子層的二維晶體材料，具有高透光性和導(dǎo)電性、高比表面積、高強(qiáng)度及柔韌性等優(yōu)異的性能，可望在高性能納電子器件、光電器件、氣體傳感器、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射材料及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是，高質(zhì)量石墨烯的低成本、大量制備仍面臨困境，制約了該材料的發(fā)展與應(yīng)用。

目前，大量石墨烯的制備主要是基于Hummers法，將石墨進(jìn)行氧化處理，得到氧化石墨后，再進(jìn)行剝離得到氧化石墨烯，最后經(jīng)過(guò)還原處理得到石墨烯。但是氧化過(guò)程會(huì)嚴(yán)重破壞石墨烯片層的結(jié)構(gòu)，雖然經(jīng)過(guò)還原處理，所得石墨烯材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)仍與高質(zhì)量的石墨烯存在差距。此外，石墨的氧化過(guò)程通常需要大量強(qiáng)酸性氧化劑如濃硫酸、濃硝酸、重鉻酸鉀及高錳酸鉀、硝酸鈉等；而還原過(guò)程又要高溫處理及使用硼氫化鈉等化學(xué)物質(zhì)，總體來(lái)看能耗大、成本高、過(guò)程操作危險(xiǎn)性較高而且環(huán)境污染嚴(yán)重。

新加坡王軍中等通過(guò)電化學(xué)方法高產(chǎn)率制備了少層石墨烯，但該方法必須使用電化學(xué)裝置，且電極處理過(guò)程復(fù)雜，所以也不具備大規(guī)模生產(chǎn)的可能性。其他方法，諸如機(jī)械剝離法及CVD法也存在質(zhì)量不穩(wěn)定、難以規(guī)模化、成本高昂等問(wèn)題。

2010年石墨烯的發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾獎(jiǎng)后，石墨烯研究和開(kāi)發(fā)速度呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，業(yè)界對(duì)石墨烯的需求也越來(lái)越多，在實(shí)驗(yàn)室中制備的產(chǎn)量已不能滿足在應(yīng)用領(lǐng)域的需求。因此，需要開(kāi)發(fā)一種可規(guī)模化、低成本且環(huán)境友好的制備高質(zhì)量石墨烯的新方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種制備的石墨烯方法，所得石墨烯具有分散、少層、高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少了污染，對(duì)環(huán)境友好。

本發(fā)明以石墨粉或膨脹石墨為原料，剝離劑選擇氯磺酸和濃硫酸以及過(guò)氧化氫，通過(guò)攪拌使氯磺酸和濃硫酸及石墨粉按質(zhì)量比(30∶1-400∶1)均勻混合，然后將過(guò)氧化氫加入到上述溶液中，通過(guò)分離、干燥得到高質(zhì)量的石墨烯片，所得石墨烯具有優(yōu)異的電催化性能。該方法并同時(shí)減少了污染，對(duì)環(huán)境友好。

附圖說(shuō)明

圖1為，所得到的石墨烯用掃描電鏡和透射電鏡觀察。

圖2為是石墨粉(黑色)和石墨烯片(灰色)的拉曼光譜圖(a)；X射線衍射圖，b)X射線光電能譜圖

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例用于進(jìn)一步說(shuō)明但不限于本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容和所掌握的本領(lǐng)域技術(shù)對(duì)本發(fā)明內(nèi)容，作出替換或變型，其替換或變型均在本發(fā)明要求保護(hù)的權(quán)利范圍內(nèi)。

實(shí)施例1：

將三口瓶中，依次加入1g石墨粉或膨脹石墨，20mL-100ml氯磺酸，10ml-50ml濃硫酸。攪拌15分鐘，向混合液中緩慢加入30％的過(guò)氧化氫水溶液15-50ml，控制加入速度，并對(duì)瓶外降溫處理。過(guò)程中上述混合物體積急劇膨脹，以至難以攪動(dòng)。加畢，降溫20分鐘，用水稀釋，洗滌至中性并分離所得黑色物質(zhì)即得石墨烯。

實(shí)施例2：

方法同實(shí)施例1，反應(yīng)結(jié)束后，加入能與水混溶的，與總酸用量0.5-3倍體積份的有機(jī)溶劑，諸如：N，N-二甲基甲酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲亞礬，二氧六環(huán)，丙酮，丙醇，乙醇，甲醇的一種或數(shù)種。然后，將所得混合液超聲處理20分鐘，然后再用水洗至中性，分離所得黑色物質(zhì)即得石墨烯，所得石墨烯較少如實(shí)施例1中所得石墨烯有部分團(tuán)聚現(xiàn)象，顯得更為蓬松。

實(shí)施例3：

方法同實(shí)施例1，反應(yīng)結(jié)束后，加入石墨粉1％-30％質(zhì)量份的表面活性劑，諸如：十二烷基磺酸鈉，十六烷基苯磺酸鈉，吐溫，四丁基溴化銨，四丁基硫酸氫銨等的一種或數(shù)種。然后，將所得混合液超聲處理20分鐘，然后再用水洗至中性，分離所得黑色物質(zhì)即得石墨烯，所得石墨烯較少如實(shí)施例1中所得石墨烯有部分團(tuán)聚現(xiàn)象，顯得更為蓬松，和實(shí)施例2更為接近。

實(shí)施例4：

將實(shí)施例1-3方法制備的石墨烯，按照實(shí)施例1-3重復(fù)操作，可以制備單層更多的石墨烯。具體步驟如下，樣品石墨烯再次分散于氯磺酸與硫酸的混合液中，照實(shí)施例1描述，加入雙氧水。按照實(shí)施例2或3后處理，所得石墨烯全為3層以下的薄層，且單層含量較高。