[發(fā)明專利]一種快速制備大量層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310303731.9
• 申請(qǐng)日: 2013-07-19
• 公開（公告）號(hào): CN103342358A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余新泉;洪鳳龍;何彥君;吳春曉;張友法;陳鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 馮慧

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明涉及石墨烯的制備，特別涉及石墨烯的快速大量制備。

背景技術(shù)

????碳材料以其獨(dú)特的性質(zhì)和多樣的形態(tài)，成為當(dāng)今新型材料之中的佼佼者，廣泛應(yīng)用于化工、核能、電子、冶金、機(jī)械、宇航等各個(gè)行業(yè)。石墨烯具有奇特的二維層狀晶體結(jié)構(gòu)，因此具有許多優(yōu)異的性能，如較高的楊氏模量、熱導(dǎo)率、較高的載流子遷移率、巨大的比表面積、鐵磁性等，使得石墨烯成為化學(xué)、物理學(xué)及材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)，并被預(yù)測在復(fù)合材料、電子器件、儲(chǔ)能和傳感器等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

????為了推進(jìn)石墨烯在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，快速制備出高質(zhì)量的石墨烯是問題的關(guān)鍵所在。自2010年英國的兩位科學(xué)家因?yàn)槭┑墓ぷ鳙@得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來，短短三四年時(shí)間，它已成為材料科學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域最活躍的科學(xué)前沿。盡管有關(guān)石墨烯的研究非常多，但是如何大量獲得高質(zhì)量的石墨烯仍存在很多問題。由于石墨烯的性能和其層數(shù)密切相關(guān)，不同層數(shù)的石墨烯表現(xiàn)出不同的性能。單層和雙層的石墨烯只有電子和空穴兩種載流子，3~10層的少層石墨烯有多種載流子。因此，如何大規(guī)模制備層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯是使石墨烯產(chǎn)業(yè)化并應(yīng)用于各領(lǐng)域中的前提和保障。

????目前石墨烯的制備方法主要有機(jī)械剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、碳化硅外延生長法、碳納米管切割法等。其中機(jī)械剝離法可以制備出能保持完美晶體結(jié)構(gòu)的石墨烯片層，廣泛用于科研工作中，但是制備周期長，產(chǎn)率低，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?，不能用于工業(yè)化生產(chǎn)中；化學(xué)氣相沉積法工藝簡單，易于圖案化，但效率低，產(chǎn)量少，且轉(zhuǎn)移性差、可控性差；碳化硅外延生長法可以獲得大面積的單層石墨烯，并且質(zhì)量較高，但產(chǎn)量低且造價(jià)昂貴；碳納米管切割法原料昂貴且對(duì)設(shè)備的依賴性高，效率低，也不是適宜大規(guī)模制備石墨烯的方法。成會(huì)明等在《一種層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的制備方法》（CN101993061A）中采用純氫氣或氫氣和氬氣的混合氣在300~1000℃的氛圍下將氧化石墨還原20min~10h，再通過高速離心的方法（6000~30000rpm）去除尚未完全剝離的石墨和厚石墨片，得到層數(shù)可控的石墨烯，但是此方法對(duì)設(shè)備要求高，還原時(shí)間較長，且氫氣作為易燃?xì)怏w，在高溫下反應(yīng)較危險(xiǎn)且成本高，不是適宜大規(guī)模制備石墨烯的方法。于娟等在《一種利用氧化石墨快速大量制備石墨烯的方法》（CN102502611A）中采用微波解離的方法快速制備石墨烯，但是此方法對(duì)石墨原料的預(yù)處理時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)，且得到的石墨烯層數(shù)不可控，分布不均勻，影響了產(chǎn)品整體的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容

????本發(fā)明的目的在于解決Hummers法制備氧化石墨過程中存在的氧化程度不均勻問題，提供了一種快速制備大量層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的方法，通過控制石墨層間插入的羥基、羧基等含氧官能的數(shù)量，再用微波解離，簡單易操作。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種快速制備大量層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的方法，包括用石墨為原料，采用Hummers法制備氧化石墨，將Hummers法制備氧化石墨將加完雙氧水后的溶液高速離心至中性，然后再將混合液體以500rpm~4000rpm中的任一轉(zhuǎn)速離心20min~40min得到相應(yīng)氧化程度的氧化石墨，取上層液體，將得到的上層液體和離心瓶中殘余的氧化石墨干燥后撕成1cm²的碎片放置于氧化鋁陶瓷坩堝內(nèi)，用膠帶將坩堝蓋固定好并用針扎一定的空隙使得坩堝內(nèi)外有空氣流通，真空微波還原氧化石墨，反應(yīng)結(jié)束后，釋放真空后得到蓬松絮狀的相應(yīng)層數(shù)的氧化石墨烯。

所述的石墨為人造石墨或天然鱗片石墨，尺寸為30~600μm。

所述的真空微波時(shí)，真空度為0.1MPa以內(nèi)，微波功率為4~6kW，作用時(shí)間為5~10s。

所述的高速離心是在8000rpm的轉(zhuǎn)速下離心。

所述的采用Hummers法制備氧化石墨的具體步驟為：

（1）?用三口燒瓶將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸冰浴，控制濃硫酸的溫度在3℃以下，將1份質(zhì)量的石墨緩慢加入到濃硫酸中，石墨與濃硫酸的比例為1g：(23~50)ml，攪拌5min后，緩慢加入0.5~2份質(zhì)量的硝酸鈉，繼續(xù)攪拌5min，再緩慢加入3~6份質(zhì)量的高錳酸鉀，在3℃以下攪拌15min~4.5h，將反應(yīng)體系的溫度調(diào)至35℃，在35℃繼續(xù)攪拌1~2h，用恒壓漏斗向反應(yīng)體系中緩慢加入46ml~100ml的去離子水，保證滴水速度在1~2滴/秒，加完水后將反應(yīng)體系溫度升至95℃，在95℃繼續(xù)攪拌15~60min后停止加熱；