[發明專利]一種石墨烯材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201310055678.5
• 申請日: 2013-02-21
• 公開（公告）號: CN104003372A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 周明杰;王要兵;袁新生
• 申請（專利權）人: 海洋王照明科技股份有限公司;深圳市海洋王照明技術有限公司;深圳市海洋王照明工程有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;熊永強

技術領域

本發明涉及石墨烯合成領域，尤其是一種石墨烯材料及其制備方法。

背景技術

石墨烯是2004年英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆(Andre?K.Geim)等發現的一種二維碳原子晶體，并獲得2010年物理諾貝爾獎。由于其獨特的結構和良好的光電性質，石墨烯目前已成為碳材料、納米技術和功能材料等領域的研究熱點之一。目前制備石墨烯材料的方法主要是氧化還原法，但在制備過程中，石墨烯的片層結構極易被破壞，石墨烯間團聚，嚴重影響了其導電、導熱性能。如何克服上述技術缺陷，開發新的石墨烯制備方法，已經成為當前石墨烯領域的研究熱點之一。

離子液體是指全部由離子組成的液體，是一種環境友好型的溶劑，對無機物、有機物及聚合物均具備良好的溶解性或分散性，被稱為“綠色溶劑”。近年來，有研究（如專利201210249137.1、201210135363.7）將石墨粉或碳納米管懸浮于離子液體中，然后進行攪拌或超聲或擠出，從而制得分散性好的石墨烯材料，但由于石墨粉或碳納米管結構較為緊湊，剝離難，采用這類方法制得的石墨烯單層率低，石墨烯的性能受到了限制。

發明內容

為克服上述技術缺陷，本發明提供了一種石墨烯材料及其制備方法，該方法先將石墨與堿金屬混合熱處理，制得堿金屬插層石墨后再分散于離子液體中，經超聲處理后制得片層結構完整，單層率高，分散性好的石墨烯材料。

一方面，本發明提供了一種石墨烯材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）在惰性氣體氛圍下，將石墨與堿金屬按摩爾比1～5：1的比例混勻后裝入到密封容器中，抽真空至10～1000Pa，然后以200～1000℃熱處理12～120小時，得到堿金屬插層石墨；

（2）取堿金屬插層石墨，按固液比1g：10~100mL的比例加入到熔融的離子液體中，攪拌均勻后放入超聲粉碎機中，以2～10kW的功率超聲處理0.5～100分鐘，得到石墨烯懸浮液；

（3）過濾所述石墨烯懸浮液，取濾渣用有機溶劑洗滌過濾，然后再用去離子水反復沖洗過濾直至洗出液呈中性，干燥濾物，得到石墨烯材料。

優選地，所述惰性氣體氛圍為氮氣、氬氣或氦氣。

優選地，所述石墨為天然磷片石墨、人造石墨和膨脹石墨中的一種。

優選地，所述堿金屬為鋰、鈉、鎂、鉀、鈣、銣、鍶和鋇中的至少一種。

優選地，所述離子液體為凝膠狀或凝固狀的離子液體；所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑碘鹽、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴鹽、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯鹽和1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽中的至少一種。

優選地，所述離子液體熔融時的熔融溫度為150~300℃。

優選地，所述超聲處理，超聲功率為5～8kW，超聲處理時間為20～50分鐘。

其中，所述有機溶劑為可溶解離子液體的有機溶劑。優選地，所述有機溶劑N，N-二甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基甲酰胺。

優選地，所述干燥濾物的操作為：將清洗干凈后的濾渣放到真空干燥箱中，以60～100℃干燥10～20小時。

本發明先將石墨與堿金屬混合熱處理，使堿金屬插入到石墨片層間，增大了石墨層間的間距，從而使得制得的堿金屬插層石墨易于剝離；堿金屬插層石墨懸浮在離子液體中，被超聲波剝離，在不破壞石墨烯的結構的前提下，制得單層率高石墨烯材料；離子液體具有較好的分散性，制備過程中石墨烯始終分散在離子液體中，不發生團聚現象，因而制得的石墨烯材料導電性好，電導率可高達10⁶S/m以上。制備方法工藝簡單，剝離效果好，原料來源廣，成本低，適合工業化生產。

另一方面，本發明還提供了一種石墨烯材料，所述石墨烯材料是由上述制備方法制得的。

本發明所述石墨烯材料片層結構完整、單層率高，分散性好，適于用于制備電化學電容器的電極，可提高化學電源能量密度與功率密度。

相比于現有技術，本發明所述石墨烯材料及其制備方法具有以下有益效果：

（1）將堿金屬插入到石墨片層間，增大了石墨層間的間距，減小了后續的剝離難度，以制得高單層率的石墨烯材料；