[發明專利]一種熱還原制備石墨烯的方法

無效

• 申請號: 201210578667.0
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103011147A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 紀效波;宋維鑫;鄧文韜;魯放;周洲;陳啟元;李敘
• 申請（專利權）人: 中南大學;湖南友能高新技術有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 魏娟

技術領域

本發明涉及一種燃燒熱還原法制備石墨烯的方法，屬于石墨烯材料制備技術領域。

背景技術

石墨烯自2004年由曼側斯特大學科學家發現[Science,306(2004):666]以來，因其具有的超大理論比表面積（2675m²/g），高電導率（64mS/cm），優良的化學穩定性和熱力學穩定性，以及物理性能和機械性能，已經在傳感器件、光電、能源材料方面得到了廣泛研究和應用。石墨烯是單層碳原子經過sp²雜化緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶格碳基新材料，厚度僅有0.335nm，其獨特的二維結構性質，使其成為可用于超級電容器和電池的能源材料。

目前，石墨烯的制備方法主要包括機械剝離法，化學剝離法，化學合成法，催化生長法以及電化學剝離法等。化學剝離法在強酸、強氧化劑存在的條件下，將石墨氧化分散得到氧化石墨烯，再將其通過化學還原、電化學還原、微波輻射等多種方法將其還原制備石墨烯。X.B?Ji[Chem.Commun,48(2012):2770]和Ruoff[Carbon,45(2007):1558]通過化學還原方法，經過水合肼熱回流20小時，得到了還原氧化石墨烯，氧化石墨烯在1M硫酸鈉溶液中可以產生32F/g的比容量，化學還原后的石墨烯可以產生73F/g的比容量，并產生了理想的雙電層電容行為，但是這種化學還原過程耗費時間長，應用毒性較大的水合肼也容易出現安全問題。H.C.Schniepp等[J.Phys.Chem.B,110(2006):8535]則在1050℃下進行熱還原氧化石墨烯，得到了多孔結構高比表面積的膨脹石墨烯。但該熱還原過程需要在保護氣氛下進行，條件十分苛刻，反應操作復雜，不便于工業化生產；也有通過火焰引燃和高溫金屬引燃還原石墨的報道，但是通過這些方法制備的石墨烯存在石墨烯表面含氧功能團多，團聚程度大的缺點，對石墨的的電化性能有很大的限制。

綜上所述，尋找一種的高效快速的還原方法，來改變石墨烯的表面結構，提升比電容，有利于石墨烯材料在電池領域的發展。

發明內容

本發明的目的是在于克服現有技術中的熱還原氧化石墨的方法存在的表面含氧功能團多，團聚程度大的缺點，提供一種熱還原制備片層薄、比表面積大、表面含氧功能團少和具有阻燃性能的石墨烯的方法，該方法操作簡單、成本低廉、可以大規模生產，有利于工業化生產。

本發明提供了一種燃燒熱還原制備石墨烯的方法，該方法是將Hummers法制得的分散的氧化石墨烯膠體經過含堿金屬離子或堿土金屬離子的溶液處理后，再真空干燥得到含堿金屬離子或堿土金屬離子的氧化石墨烯；將得到的氧化石墨烯通過熱引燃發生還原反應；反應產物經洗滌過濾后干燥，即得；所述的含堿金屬離子或堿土金屬離子的溶液中堿金屬離子或堿土金屬離子與氧化石墨烯的質量比為1:10~10000。

所述的含堿金屬離子或堿土金屬離子的溶液包括：含Rb⁺、Li⁺、Na⁺,、K⁺、Mg²⁺或Ca²⁺的溶液中一種或幾種。

所述的含堿金屬離子或堿土金屬離子的溶液中堿金屬離子或堿土金屬離子與氧化石墨烯的質量比優選為1:100~1000。

所述的熱引燃包括真空加熱引燃、火焰燃燒或高溫金屬引燃中的一種。

所述的火焰燃燒包括：乙炔焰、酒精焰或烷烴焰外焰中一種；所述的高溫引燃用450~900℃的高溫金屬引燃；所述的真空加熱引燃在真空環境中，在150~900℃下引燃石墨烯；優選的高溫金屬引燃溫度為600~800℃；優選的真空加熱引燃溫度為300~500℃。

所述真空干燥在溫度40~80℃下進行。

所述的洗滌或過濾過程中使用微孔濾膜，洗滌過程是在微孔濾膜上用去離子水和乙醇反復沖洗1~3次；過濾是用微孔濾膜過濾。

所述的經過含堿金屬離子或堿土金屬離子的溶液處理是將氧化石墨烯膠體在含堿金屬離子或堿土金屬離子的溶液中浸泡。

上述制備方法中Hummers法制得的分散的氧化石墨烯膠體先經過離心或洗滌過程除去大部分的酸，再用含堿金屬離子或堿土金屬離子的溶液處理。

上述方法中干燥后的氧化石墨烯為非團聚的薄膜狀片層結構或團聚的塊狀結構；這兩種結構的石墨烯都能通過本發明的熱還原方法制備片層薄，團聚少的石墨烯。

本發明提供一種熱還原氧化石墨烯制備石墨烯的方法，包括如下步驟：