[發明專利]石墨烯的制備方法

在審

• 申請號: 201410720840.5
• 申請日: 2014-12-02
• 公開（公告）號: CN105645384A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 賈志軍;王毅;齊濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于碳材料技術領域，具體是涉及一種石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是由單層碳原子以sp²雜化方式鍵合形成的具有六方點陣蜂窩狀結構的納米碳材 料，屬于一種新型的二維晶體材料。石墨烯具有良好的導電性、導熱性、機械性能、透光性 和電子學特性，在能量存儲、光電子器件和復合材料領域具有廣泛的應用前景。因此，石墨 烯目前已經成為材料學、物理學和化學等多個學科領域的研究熱點。在產業化方面，由于各 種制備技術的發展，石墨烯產品的開發近年來也取得了顯著地進展。

目前，石墨烯的制備方法有：機械剝離法，化學氣相沉積法和氧化-還原法。機械剝離法 和化學氣相沉積法制備石墨烯的產量很低，并且化學氣相沉積法的工藝復雜，需要專門去除 催化劑，能源消耗大，生產成本過高，不適應大規模生產的要求。氧化-還原法主要是利用氫 氧化劑對天然鱗片石墨進行氧化后得到氧化石墨，然后超聲剝離得到氧化石墨烯，再經還原 后制得石墨烯材料。然而所得到的氧化石墨烯是一種二維薄片狀結構，在水中分散性好，采 用普通的抽濾、離心分離等方法難以將氧化石墨烯從其水溶液中分離出來；并且經常采用強 還原劑(水合肼，高毒類)或高溫(高能耗)對氧化石墨烯進行還原處理，很難符合綠色制 備的標準。特別是對大規模工業制備與處理，這些方法成本高、效率低、不宜推廣應用。因 此，探索一種簡單實用、經濟高效、綠色環保的還原氧化石墨的方法，對解決石墨烯的大規 模制備，實現石墨烯的廣泛應用具有十分重要的價值。

發明內容

本發明的目的在于克服現有石墨烯制備方法的不足，提供一種由氧化石墨制備多層石墨 烯的新方法。該方法具有工藝簡單、操作方便、生產成本低、適于大規模生產等優點。

本發明目的的實現方式為，一種大規模制備多層石墨烯的方法，具體步驟如下：

1.氧化石墨：氧化石墨的制備采用兩次氧化完成。

1.1一次氧化：以天然鱗片石墨為原料，利用氧化劑預氧化，氧化4～8小時后，利用去離 子水洗滌抽濾至中性，常溫干燥，一次氧化采用的氧化劑為濃硫酸，過硫酸銨和五氧化二磷 的組合物；

1.2二次氧化：取一次氧化后的原料，重新分散到濃硫酸中，同時利用高錳酸鉀作為聯 合氧化劑對一次氧化后的原料進行氧化，反應2小時加入去離子水稀釋，稀釋過程中體系溫 度控制在50攝氏度以下，隨后加入30％的過氧化氫完成二次氧化。

2.將氧化后的產物，首先利用稀鹽酸進行清洗，除去產物中的剩余的金屬離子和硫酸根 離子等，然后利用低沸點極性有機溶劑清洗至中性，并重新分散到低沸點極性有機溶劑中， 制得懸濁液，低沸點極性有機溶劑包括：丙酮、甲醇、乙醇等。

3.固液分離：將步驟2制得的懸濁液，采用離心分離的方法，將混合溶液進行固液分離， 分別收集溶劑和氧化石墨。

4.制備多層石墨烯：將濕態的利用有機溶劑清洗至中性的氧化石墨，在溫度為80～150 攝氏度下干燥60～300分鐘，即可得到多層石墨烯。

本發明采用上述技術方案后，主要有以下效果：

(1)本發明制備出的多層石墨烯比表面積在190～350m²/g之間，平均孔徑在3.8nm 左右，孔容在0.6～1.5cm²/g之間；

(2)本發明方法無需高溫處理，生產能耗低；

(3)本發明方法無需催化劑，無需強還原劑，對生產過程中的溶劑還能回收再利用， 既能降低成本，又有利于環保；

(4)本發明工藝簡單，操作方便，生產設備少，從而進一步降低成本，便于推廣應用， 適于規模生產。

采用本發明方法制備出的多層石墨烯可以作為電池、超級電容器的電極材料，也可 用作鋰離子電池、堿性電池、氫鎳電池的導電劑。

附圖說明

圖1利用丙酮作為溶劑制備的多層石墨烯的掃描電鏡照片

圖2利用丙酮作為溶劑制備的多層石墨烯的透射電鏡照片

圖3利用丙酮作為溶劑制備的多層石墨烯吸脫附曲線及相關特性

圖4利用甲醇作為溶劑制備的多層石墨烯吸脫附曲線及相關特性

圖5利用乙醇(110攝氏度)作為溶劑制備的多層石墨烯吸脫附曲線及相關特性

圖6利用乙醇(120攝氏度)作為溶劑制備的多層石墨烯吸脫附曲線及相關特性