[發明專利]一種可燃溶劑還原制備石墨烯的方法

無效

• 申請號: 201410138856.5
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103935989A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 劉燕珍;陳成猛;李永鋒;孔慶強
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 劉寶賢

技術領域

本發明屬于一種制備石墨烯的方法，具體地涉及一種熱還原氧化石墨制備高質量石墨烯的工藝。

背景技術

最近30年來，碳的同素異形體—富勒烯和碳納米管由于具有卓越的電子和力學性能和優異的溶劑分散性而受到廣泛關注。1985年Koroto,?Curl和Smalley發現了零維的富勒烯(fullerene)，促使研究人員對納米碳材料的強烈興趣。隨后在1991年Iijima發現了一維的碳納米管(carbon?nanotube)，進一步點燃了碳基納米顆粒的研究熱潮。直到2004年，英國曼徹斯特大學的Geim等用一種極為簡單的微機械剝離法剝離并觀測到了單層石墨烯晶體，才又引起科學界新一輪的“碳”熱潮(Novoselov?K?S等.科學,?2004,?306,?666)。在2010年，Geim等由此獲得了物理諾貝爾獎。石墨烯(graphene)是由碳六元環組成的二維周期蜂窩狀點陣結構，其C-C鍵長約為0.142?nm,?它可彎曲包卷成零維富勒烯，卷成一維碳納米米管或者堆垛成三維的石墨(graphite)，也是構成其他石墨材料的基本單元（Geim?A?K等.?現代物理,?2007,?8，35）。

???石墨烯的理論比表面積高達2630?m²/g，其質量輕，具有突出的導熱性能(5000?Wm-1K-1)，楊氏模量(1100?GPa)和斷裂強度(125?GPa)可與單壁碳納米管媲美(Moon?I?K?等.自然,?2010,?1,?1)。與昂貴的碳納米管和富勒烯相比，石墨烯的主要原料（石墨）易得，價格低廉。這些優異的性能和獨特的納米結構，使石墨烯成為近年來廣泛關注的焦點，且在許多領域具有廣闊的應用前景。例如，石墨烯可以用于制造超級電容器、晶體管、集成電路、氣體傳感器、鋰電池、催化劑載體、增強填料等。

多年來，人們一直在探索高質量高產量低成本石墨烯的制備方法。目前常用的制備方法有四種:微機械剝離法(Novoselov?K?S等.科學,?2004,?306,?666)、氧化石墨烯還原法(Yang?S?J等.?炭素,?2013,?53,?73)、外延生長法(Borovikov?V等.物理進展,2009,?80,12)和化學氣相沉積法(Reina?A?等.納米快報,2009,9,1)。雖然微機械剝離是一種簡單的制備石墨烯的方法，對實驗室理論研究非常有用，但費時費力，大小難以精確控制，重復性也較差，難以大規模生產和應用。外延生長法與化學氣相沉積法也是一種較有潛力的方法。但是，這二種方法所用設備昂貴、難以連續化制備；能夠制備大面積且厚度均一的石墨烯及其優異的電學性質一直是個挑戰。氧化石墨還原法，目前被認為是一種可有效批量制備石墨烯的方法。此法是先將石墨粉進行強氧化；然后采用不同方法如還原性溶劑法或熱膨脹法等進行脫氧以制備含氧量低的石墨烯。此法的優點是所用石墨粉原材料易得、制備工藝簡單，可批量制備石墨烯。缺點是在氧化石墨的還原工藝過程中，高溫爐損耗較大（熱膨脹法）、引入雜質（還原溶劑法）；且所制石墨烯質量低、結構缺陷多等，這引起特征顯著地降低了石墨烯的物理、化學及力學性能等，限制了其進一步廣泛應用。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種簡單實用，經濟高效，高質量和可大批量生產的可燃溶劑還原制備石墨烯的方法。

本發明是在氧化石墨粉或塊體狀態下，加入可燃溶劑均勻分散滲透，在常壓環境狀態下通入不同濃度氧氣，在反應腔中引燃被可燃溶劑浸潤的氧化石墨粉，此時氧化石墨在可燃溶劑產生的火焰中被快速還原，同時被火焰中等離子體修復晶格缺陷，并通過收集容器進行收集得到高質量石墨烯。

本發明所述的制備石墨烯的方法包括如下步驟：

(1)?氧化石墨進行干燥；

(2)?將干燥氧化石墨粉末置于反應容器內，可燃溶劑浸漬后用助燃劑引燃，使氧化石墨還原；

(3)?燃燒結束后，自然降溫至室溫，得到高質量石墨烯。

本發明是在可燃溶劑體系中，通過引入助燃劑氧氣產生的火焰對氧化石墨烯還原處理。在高溫下，將氧化石墨剝離并還原的方法，因此對于氧化石墨沒有具體的限定，凡是被氧化的石墨得到的氧化石墨均可用于本發明。優選地，本發明所述的氧化石墨為石墨經強氧化后得到，所述經氧化后石墨的表層和側面均附載有大量含氧基團，即氧化石墨。在現有技術中，氧化石墨的制備方法主要有Brodie法、Hummers法或Staudenmaier法三種氧化方法。

優選地，所述氧化石墨的制備方法優選自Brodie法、Hummers法或Staudenmaier法中的任意一種。