[發明專利]一種石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201410299588.5
• 申請日: 2014-06-27
• 公開（公告）號: CN104071782A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 徐國華;沈艷斌;朱鑫
• 申請（專利權）人: 廣州市尤特新材料有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 鄭瑩

技術領域

本發明涉及一種石墨烯的制備方法。

背景技術

除了三維層狀的石墨以外，科學家們發現碳系家族還有零維的富勒烯，一維的碳納米管，二維的碳材料能否在室溫下穩定存在一直是個謎。早在多年前，著名物理學家Peierls和Landau理論上提出嚴格的二維晶體由于其熱力學不穩定，不可能存在。1966年，Mermin和Wagner的Mermin-Wagner理論指出長的波長起伏也會使長程有序的二維晶體受到破壞。此時，二維碳材料被人們認為只是一個理論模型，但這并沒有阻礙人們對二維碳材料理論和實驗的探索，科學家們嘗試得到穩定的單層石墨片。直到2004年，曼徹斯特大學的科學家A.?K.?Geim和K.?S.?Novoselov首次用機械剝離法成功地從石墨中分離出石墨烯（也稱為單層石墨），這一發現震驚了科學界，不僅推翻了原有完美二維晶體材料不能在非絕對零度下穩定存在的理論，而且激發了科學家們對其他二維材料的研究興趣，同時豐富了碳系家族成員。

石墨烯，可看作被剝離的單層石墨片，是由單原子層厚度的碳原子組成的二維晶格，其中碳原子以六元環形式周期性排列于石墨烯平面內。它是目前發現的最薄的物質，厚度只有0.35?nm，碳原子以sp2雜化的方式相互鍵合，碳-碳鍵的鍵長為0.142?nm，鍵角120°。它是構建其它維數碳材料的基本單元，它可以翅曲構成零維(0D)的富勒稀(fullerene)，卷成一維(1D)的碳納米管(carbon?nano-tube，CNT)還可以堆成三維(3D)的石墨(graphite)。

正是由于石墨烯獨特的二維結構，使其具有許多不同于其他維材料的優異的電學、力學、光學和熱學等特殊性質，因而在這幾年備受關注。對于它的研究目前已不僅僅局限在理論的層面。石墨烯已經應用于各種器件的制備，包括低能量高密度的電子器件、傳感器件等。和其他準備大規模應用的新材料一樣，材料的制備和處理是石墨烯得以實際應用的前提。自首次通過微機械剝離法獲得石墨烯后，人們相繼提出了取向附生法、化學氣相沉積法、溶劑熱法、電化學法、化學還原法等方法制備石墨烯。其中，化學還原法是一種以石墨為原料的軟化學方法，即通過微波或超聲波對氧化石墨進行剝離得到氧化石墨烯溶液，然后再對GO進行化學還原得到石墨烯。這種方法以廉價的石墨為原料，經過氧化、剝離、還原，容易實現石墨烯的批量化生產，可以滿足大規模的應用需求。

目前，氧化還原法以其工藝簡單、成本低廉成為工業制備石墨烯最有吸引力的途徑之一。在眾多制備氧化石墨的方法中，Hmnmers法的工藝流程簡單、綠色、安全，從而成為目前制備氧化石墨最常用的方法之一。該方法主要包含了低溫、中溫、高溫三個反應階段。研究表明M:(傅玲，劉洪波，鄒艷紅，李波.Hummers法制備氧化石墨時影響氧化程度的工藝因素研究[J].碳素，2005(4):10-14)低溫反應主要發生硫酸分子在石墨層間插層；中溫反應主要發生石墨的深度氧化；高溫反應過程則主要發生化合物的水解反應。低溫反應插層充分，中溫反應深度氧化完全，高溫反應水解徹底，將是獲得層間距較大氧化石墨的途徑之一。Hummers法的高溫反應階段，在溫度較高的含有濃硫酸的混合液中加入去離子水，會使混合液產生局部的高溫，造成反應溫度難以控制，同時混合液的局部溫度過高，使得硫酸-石墨層間化合物的受熱分解，硫酸等插入物從石墨層間迅速脫出，從而大大影響了氧化石墨的質量。

現有技術中，通常制備石墨烯的方法為：1、微機械剝離法；2、化學氣相沉積法；3、氧化-還原法；4、溶劑剝離法；5、溶劑熱法、6、其他方法。其中對于第3種方法，前面也進行過論述，主要通過Hummers法或改進的Hummers法制備GO，再用硼氫化鈉等還原GO得到氧化石墨烯，這種方法得到石墨烯的產率偏低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯的制備方法。

本發明所采取的技術方案是：

一種石墨烯的制備方法，包括以下步驟：

第一步，在-5~0℃條件下，把石墨粉、硝酸鈉加入反應容器中，然后加入濃硫酸，保持反應體系溫度在-5~0℃，超聲處理，然后充分攪拌；

第二步，向第一步所得溶液中加入高錳酸鉀，保持反應體系溫度不高于10℃，攪拌16~24h，制備石墨懸浮液；

第三步，向石墨懸浮液中加入稀硫酸，超聲處理，然后在攪拌的條件下，充分反應2~6h；

第四步，再加入去離子水，保持反應體系溫度不高于10℃，充分反應6~12h；

第五步，保持反應體系溫度不高于10℃的條件下，逐滴加入過氧化氫溶液，直到氣體完全逸出；