[發明專利]快速制備石墨烯薄片的方法

有效

• 申請號: 201310045343.5
• 申請日: 2013-02-05
• 公開（公告）號: CN103072980A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 韓志東;王永亮;董立敏;許達;董文哲;徐峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 哈爾濱東方專利事務所 23118
• 代理人: 陳曉光

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技術領域：

本發明屬于碳素材料技術領域，提供了一種快速大量制備石墨烯薄片的新方法。

背景技術：

石墨烯，作為一種新興的碳材料，具有一系列獨特的力學、電學、熱學等優異特性，例如斷裂強度約為125GPa，電子遷移速率高達20000cm2·V-1·S-1，熱導率可達5000W·m-1·K-1。因此國內外針對石墨烯開展了極為廣泛的理論研究、制備研究和應用實踐。目前，關于石墨烯的制備合成可分為兩個方面：一是實現大面積完美單層石墨烯的制備，研究其優異的力學、電學和熱學等性能；二是在可允許的缺陷含量內，實現石墨烯材料的快速大規模制備，并實現其在特定生產領域的應用。

我國石墨儲量及產銷量居世界首位，因此實現以石墨為原材料快速宏量制備石墨烯，具有良好的社會效益和經濟前景。目前對于石墨烯的研究已開發了一些制備方法，取得了長足的進步。但是在快速宏量獲得石墨烯方面，仍然存在許多問題。

目前石墨烯的制備大致可以分為：1）微機械剝離法、2）化學氣相沉積法、3）外延生長法、4）氧化石墨烯還原法。1）微機械剝離法是最初發現石墨烯的方法，其本質是利用機械力破壞石墨片層間作用。該方法主要缺點在于效率特別低，且得到的石墨烯層數和尺寸無法控制，因此無法實現批量制備。導致由機械剝離法所制備石墨烯是世界上最貴的材料之一。2）化學氣相沉積法可實現大尺寸石墨烯的制備，但是所制備石墨烯為納米級到微米級石墨烯晶疇的拼接，其晶界的存在嚴重降低了石墨烯的質量和性能。3）外延生長法基于高溫下殘留碳原子的重排形成石墨烯，該方法在制備大尺寸石墨烯方面具有明顯優勢，但是效率低下，且實驗條件苛刻，材料基底價格也較昂貴。4）采用氧化石墨烯還原法制備石墨烯成為近幾年的熱點，其優勢在于方法簡單且可實現批量制備。

基于氧化石墨烯還原法已衍生出一系列的石墨烯制備技術，使石墨烯的制備效率較微機械剝離法和外延生長法有了明顯提高，且成本有了一定的降低。例如在冰浴條件下采用濃硝酸和高錳酸鉀對石墨進行氧化，8小時左右獲得氧化石墨，進一步采用高功率微波輻照的方法可實現石墨烯的制備。基于二次插層法也可實現石墨烯的制備，如首先將石墨進行氧化插層2~6小時獲得一次插層化合物，并在600~900℃處理1分鐘，然后進行2~6小時的二次插層，并再次600~900℃處理1分鐘，最后進行超聲處理或機械研磨獲得石墨烯。該方法雖然實現了4~12小時內制備石墨烯，但是其缺點在于涉及到2次600~900℃熱處理過程，能耗較大。

發明內容：

本發明提供一種快速的石墨烯的制作方法，能耗低，速度快，質量更好。

本發明的目的是這樣實現的：

快速制備石墨烯薄片的方法，取原料石墨、固體氧化劑和液體氧化劑：

（1）石墨質量份數為10：固體氧化劑質量份數為1~3：主要液體氧化劑質量份數為30~50，輔助液體氧化劑質量分數5~10，將固體氧化劑和液體氧化劑按質量份數混合后，將石墨置于混合溶液中，在30℃下進行氧化插層30min；

（2）將上述氧化插層后石墨進行水洗抽濾，并加入到濃度為10~40%質量比的硝酸鹽水溶液中，此時石墨與硝酸鹽的質量比約為10：5~15?；30℃下進行水浴反應30min，獲得多元石墨層間化合物；

（3）將上述多元石墨層間化合物進行水洗抽濾后，在水溶液中超聲處理0.5~1.5小時，利用超聲空化作用實現石墨片層的剝離；

（4）在超聲作用下，以陰離子表面活性劑為分散劑，實現石墨烯薄片的均勻分散；

（5）將所得溶液進行離心分離，獲得含有5-10個片層的石墨烯薄片的溶液。

所述的快速制備石墨烯薄片的方法，所述的固體氧化劑為重鉻酸鉀或者高錳酸鉀中的一種，所述的液體氧化劑中主要液體氧化劑為濃硫酸，輔助液體氧化劑為氯磺酸、雙氧水、濃硝酸中的一種或者多種物質的混合物；所述硝酸鹽溶液為硝酸鈉溶液、硝酸鐵溶液、硝酸鉀溶液中的一種、兩種或多種混合液。

所述的快速制備石墨烯薄片的方法，所述的超聲處理的超聲功率為400~900W，處理時間為1小時。

所述的快速制備石墨烯薄片的方法，所述表面活性劑為十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉等陰離子表面活性劑中的一種或者多種。