[發明專利]制備石墨烯的方法以及由該方法制備的石墨烯

在審

• 申請號: 201410164539.0
• 申請日: 2014-04-23
• 公開（公告）號: CN105084344A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 閆立峰;夏圣安;謝封超
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司;中國科學技術大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京龍雙利達知識產權代理有限公司 11329
• 代理人: 王君;肖鸝

技術領域

本發明涉及制備石墨烯產品的技術領域，更具體地，本發明涉及一種溶劑剝離法制備石墨烯的方法以及由該方法制備的石墨烯。

背景技術

石墨烯是一種單分子層的二維石墨材料，因其具有潛在的高導電性、高導熱性、高強度性和特殊的量子特性，被認為是未來替代硅的新材料。目前，制備石墨烯的方法包括：機械剝離法、溶劑剝離法、化學氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition，CVD)、化學氧化-還原法、電化學剝離法等，為了使得到的石墨烯保留較好的導電特性，就要盡量減少石墨烯片層的結構缺陷。機械剝離法可以較為完整地保留石墨烯片層的結構，但是制備的效率低且成本高；化學氣相沉積法也可以形成較完整的石墨烯片層，但是成本高且制備工藝復；CVD雖然可以批量生產石墨烯，但是難以實現高導電率的石墨烯的制備；電化學剝離法制備石墨烯的過程中，通常伴隨著石墨烯薄片解體為碳顆粒的現象，影響產品的產率和產品的純度；而溶劑剝離法能夠完整保留石墨烯的本來結構，同時也易于放大。

溶劑剝離法制備石墨烯是將過篩的石墨粉分散在的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中超聲30分鐘，得到一個灰色的懸浮液，再通過離心、過濾可以得到小于5層的石墨片。這種方法制備得到的單層石墨烯的產率比較低。

發明內容

針對上述技術問題，本發明人經過長期的努力和反復的試驗，提供一種制備石墨烯的方法以及由該方法制備的石墨烯，能夠提高單層石墨烯的產率。

一方面，本發明提供一種制備石墨烯的方法，該方法包括如下步驟：

(a)制備膨脹石墨；

(b)將得自步驟(a)的膨脹石墨與氧化劑混合并引發弱氧化反應，得到氧化的膨脹石墨；

(c)將得自步驟(b)的氧化的膨脹石墨在剝離溶劑中進行剝離，獲得石墨烯懸浮液。

在一個優選實施方案中，步驟(b)中所述的氧化劑包括濃硫酸與硝酸的混合液，以及氯酸鉀。

在另一個優選實施方案中，所述膨脹石墨與所述氯酸鉀混合的比例為1：1～1：3。

在另一個優選實施方案中，步驟(a)中所述制備膨脹石墨，包括下列步驟：

(i)將石墨粉與氯磺酸混合并放入反應器中加熱，得到預處理石墨；

(ii)將得自(i)的預處理石墨與濃硫酸混合，攪拌并滴加過氧化氫溶液引發膨脹反應，得到預處理膨脹石墨；

(iii)將得自(ii)的預處理膨脹石墨加水分離，再經過濾，水洗，干燥，得到膨脹石墨。

在另一個優選實施方案中，在步驟(i)中，將石墨粉與氯磺酸混合并放入反應器中在溫度為110℃～130℃的條件下加熱4～6小時。

在另一個優選實施方案中，在步驟(i)中，將石墨粉與氯磺酸混合并放入聚四氟乙烯反應釜中在溫度為120℃的條件下加熱5小時。

在本發明的方法的另一個優選實施方案中，步驟(i)中所述石墨粉的質量與氯磺酸的體積比為1kg：100l～1kg：300l，所述石墨粉的質量與步驟(ii)中所述濃硫酸的體積比為1kg：250l～1kg：750l，所述石墨粉的質量與步驟(ii)中所述過氧化氫的體積比為1kg：100l～1kg：500l。

在另一個優選實施方案中，步驟(i)中所述石墨粉的顆粒大小為200～800目。

在另一個優選實施方案中，在步驟(c)中，將得自步驟(b)的氧化的膨脹石墨在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中進行超聲剝離，獲得石墨烯懸浮液。

在另一個優選實施方案中，在步驟(c)中，所述將得自步驟(b)的氧化的膨脹石墨在NMP中在超聲功率為50～300W的條件下超聲0.5～2小時。

另一方面，本發明提供一種根據上述方法制備的石墨烯，所述石墨烯的碳氧比大于10，且所述石墨烯的電導率大于1000S/m。

在一個優選實施方案中，所述石墨烯的電導率大于2300S/m。

本發明實施方案的制備石墨烯的方法，通過氧化劑對膨脹石墨的表層部分進行氧化，得到氧化的膨脹石墨，再將氧化的膨脹石墨置于剝離溶劑中進行剝離，獲得石墨烯懸浮液。該制備石墨烯的方法，用氧化劑對膨脹石墨的表層部分進行氧化，使得膨脹石墨的邊緣開放，剝離試劑更容易進入膨脹石墨的內部，從而使剝離更加充分，能夠提高單層石墨烯的產率。

附圖說明

圖1示出了根據本發明一個實施方案的制備石墨烯的方法的流程圖。

圖2示出了根據本發明另一實施方案的制備石墨烯的方法的流程圖。