[發(fā)明專利]一種快速制備單層石墨烯的方法

有效

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• 申請日: 2014-05-14
• 公開（公告）號: CN103950926A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設計）人: 吳湘鋒;張杰;莊亞芳;李婧;韓劉春
• 申請（專利權）人: 石家莊鐵道大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 石家莊元匯專利代理事務所(特殊普通合伙) 13115
• 代理人: 王琪

技術領域

本發(fā)明涉及一種快速制備單層石墨烯的方法，屬于材料合成技術領域。

背景技術

石墨烯自2004年問世以來(2010年該領域被授予諾貝爾獎)，一直是新材料領域的熱點研究對象。作為碳原子家族的最新成員，單層石墨烯具備獨特的物理化學性質使得該材料在未來的實際應用前景非常光明。然而限于當前有限的石墨烯制備方法，石墨烯的應用尤其規(guī)模化應用狀況并不樂觀。截止到目前，石墨烯的制備方法主要有：1)機械剝離法；2)化學氣相沉積法；3)化學合成法；4)化學剝離法。其中化學剝離法是目前最常用的石墨烯制備方法，它主要以石墨為原料，利用強酸和強氧化劑對其氧化獲得氧化石墨烯，洗滌、過濾后再對其進行還原獲得石墨烯，該方法是最能接近規(guī)模化制備石墨烯的方法。雖然已有的化學剝離法可以制備出單層石墨烯，但大多是Hummers法或其改進法，制備周期較長，產(chǎn)量較低。因此，研究和開發(fā)出一種工藝簡單、效率高、成本低的石墨烯制備技術成為實現(xiàn)石墨烯應用飛躍的關鍵。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種快速制備單層石墨烯的方法，利用水熱合成反應將石墨、濃硫酸、高錳酸鉀置于反應釜中，在一定溫度和時間內，一步獲得石墨烯。有效解決單層石墨烯制備效率低、工藝復雜、周期長、成本高等問題。

本發(fā)明快速制備單層石墨烯的方法的技術方案包括如下步驟：

A、稱取1-5g天然石墨、40-200ml重量百分比為98％的濃硫酸，置于100-500ml內襯聚四氟乙烯的水熱合成反應釜中，充分攪拌10-30min；

B、向反應體系緩慢加入5-25g高錳酸鉀，在10-30min內加完；

C、將反應釜溫度升高至120-180℃，保溫時間控制為1-4h,反應結束后自然冷卻至室溫；

D、將產(chǎn)品移入300ml去離子水中，加入20-50ml重量百分比為30％的雙氧水，攪拌體系至顏色穩(wěn)定，過濾，用去離子水反復洗滌至中性；

E、超聲分散在有機溶劑乙醇、丙酮、四氫呋喃或N,N-二甲基甲酰胺中，超聲功率控制為100-500w，時間控制為30-120min，過濾后即得單層石墨烯產(chǎn)品。

本發(fā)明利用水熱合成反應釜的優(yōu)勢，將石墨、濃硫酸、高錳酸鉀置于其中，在一定溫度和時間下，一步獲得石墨烯，不需要額外的還原步驟，解決了已有的利用化學剝離制備技術中需先制備氧化石墨烯再對其進行還原過程中過濾、洗滌困難和產(chǎn)品損失大的問題，提供一種安全、溫和、廉價、快速的方法制備出單層石墨烯，大幅度提高生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1為實施例2中產(chǎn)品的透射電子顯微鏡圖。

圖2為實施例2中產(chǎn)品的原子力顯微鏡圖。

圖3為實施例2中產(chǎn)品的X射線衍射圖。

圖4為實施例2中產(chǎn)品的紅外光譜圖。

具體實施方式

實施例1：

首先將1g天然石墨(325目，阿法埃莎(天津)化學有限公司，下同)、40ml濃硫酸(98wt％)置于100ml內襯聚四氟乙烯的水熱合成反應釜中(浙江省東臺市中凱亞不銹鋼制品廠，下同)，充分攪拌30min.稱取5g高錳酸鉀在10min內加入到反應體系，然后將反應釜升溫至120℃，保溫1h；自然冷卻至室溫后，將反應釜中的樣品倒入300ml去離子水中，加入20ml濃度為30wt％的雙氧水，攪拌至顏色穩(wěn)定；過濾、用去離子水反復洗滌至中性后超聲(寧波新芝超聲細胞粉碎機，型號：JY-92-IIN，下同)分散在乙醇中，超聲功率為500W，時間為30min，過濾后可得1g單層石墨烯。上述反應中濃硫酸的作用是：利用其較強的插層能力使得石墨片層的層間距變大、相鄰層之間的范德華力變弱；高錳酸鉀的作用是：利用其較強的氧化能力對層間距變大的石墨進行氧化，在各碳原子平面生成含氧基團，進一步增大層間距，成為氧化石墨；采用水熱合成反應在較高的溫度和壓力下去掉氧化石墨表面的羥基等官能團，對氧化石墨進行還原；采用超聲分散的作用是：使疏水親油的產(chǎn)品片層在有機溶劑中充分被剝離，獲得單層石墨烯。

實施例2：

首先將2g天然石墨、80ml濃硫酸置于150ml內襯聚四氟乙烯的水熱合成反應釜中，充分攪拌20min.稱取10g高錳酸鉀在20min內加入到反應體系，然后將反應釜升溫至155℃，保溫2h；自然冷卻至室溫后，將反應釜中的樣品倒入300ml去離子水中，加入40ml濃度為30wt％的雙氧水，攪拌至顏色穩(wěn)定；過濾、用去離子水反復洗滌至中性后超聲分散在丙酮中，超聲功率為200W，時間為30min，過濾后可得2g單層石墨烯。