[發明專利]一種超聲剝離制備水相石墨烯分散液的方法

有效

• 申請號: 201510172261.6
• 申請日: 2015-04-13
• 公開（公告）號: CN104876210B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 邱學青;祝都明;樓宏銘;楊東杰
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;C01B32/194
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 羅觀祥,梁濤

技術領域

本發明屬于石墨烯功能材料制備技術領域，具體涉及一種水相石墨烯分散液，特別涉及一種超聲剝離制備高濃度水相石墨烯分散液的方法。

背景技術

石墨烯是由一層碳原子組成的二維碳納米材料，是目前已知最薄的二維材料，厚度僅為0.34nm。石墨烯在力學、電學、熱學等方面都具有獨特的性質，在全世界范圍內掀起了繼富勒烯、碳納米管之后關于碳素材料的第三次研究熱潮。

目前石墨烯的制備方法有機械剝離法、化學氣相沉積法、外延生長法、氧化還原法、超聲剝離法等。其中機械剝離方法制備的石墨烯質量最高，但其產量非常低，只能用于科學研究；化學氣相沉積與外延生長方法制備的石墨烯缺陷少，但對設備要求高，原料轉化率低，極大地限制了其應用；氧化還原法制備石墨烯雖然能規模化生產層數較少的石墨烯，但強氧化劑對石墨烯晶格的破壞使其六角蜂巢狀晶體結構無法復原，導致其部分性能缺失；液相超聲剝離法以石墨或膨脹石墨為原料，設備要求低，能耗低，且制備的石墨烯缺陷少，濃度高，被認為是一種最有前景的制備方法。

由于石墨烯比表面積較大，疏水性極強，且石墨烯與石墨烯間存在較強的范德華作用力，在液相超聲剝離法制備石墨烯過程中，容易發生團聚，單層或少層的石墨烯很難穩定存在。目前主要是在一些特殊的有機溶劑中超聲剝離制備石墨烯，這些溶劑包括N‐甲基吡咯烷酮、二甲基甲酯胺、鄰二氯苯等，但這些溶劑通常成本較高，有一定的毒性，大量使用不可避免會對環境造成污染，且在石墨烯后期使用時較難除去，因此在生物傳感器，醫療器械等眾多領域的應用受到極大限制。

于是人們通過在水中加入適量的分散劑，借助超聲波對石墨進行超聲剝離，分散劑通過其共軛結構和疏水作用吸附在石墨烯表面，利用其結構上的電荷和自身的空間位阻實現石墨烯在水中的分散與穩定，該方法所制備得到的石墨烯結構缺陷少，且制備過程以水為介質，具有工藝簡單、綠色環保的優點。目前可用于超聲剝離法制備石墨烯的分散劑主要為化學合成類的小分子型分散劑，而對于天然高分子類型的分散劑木質素基兩親聚合物尚未見相關報導。

目前用于分散石墨烯的分散劑大部分都是一些化學合成型的小分子化合物，如CTAB、SDBS、SDS等，雖然具有一定的分散效果，但是由于其吸附在石墨烯表面時能夠提高的空間位阻較小，故分散效果不理想。如文獻中報道，利用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)制備得到濃度為0.06g/L的石墨烯分散液、利用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)制備得到濃度為0.05g/L的石墨烯分散液、利用膽酸鈉(SC)制備得到濃度為0.04g/L的石墨烯分散液；但制備的石墨烯濃度均低于0.1g/L。上述研究結果表明普遍使用的分散劑雖然能夠在一定程度上分散石墨烯，但是所得石墨烯的濃度均較低，降低了原料的利用率；同時在后續使用過程中需要將石墨烯分散液濃縮，無疑提高了工業化成本。

石墨烯由于其獨特結構，可以用作催化劑的載體，其本身也具有一定的催化活性，也可以用石墨烯制備的復合材料充當催化劑，使得其在光催化領域的研究得到了廣泛的關注；石墨烯的電子遷移率是硅的100倍，具有卓越的強度和透明度，97.7％的光可被傳輸。石墨烯具有良好的透光性和導電性，很有潛力成為ITO的替代材料，利用石墨烯制作透明的導電膜并將其應用于太陽電池中也成為研究的熱點；石墨烯還具有良好的生物相容性，石墨烯修飾電極被廣泛應用于無機金屬離子的檢測。但石墨烯在這些領域的應用都需要以高濃度的石墨烯為前提，故制備高濃度的水相石墨烯具有十分重要的意義。但石墨烯比表面積較大，疏水性極強，且石墨烯與石墨烯間存在較強的范德華力作用，極易發生團聚，故欲制備高濃度的水相石墨烯還存在較大的技術困難。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點與不足，本發明的目的在于提供一種超聲剝離制備高濃度水相石墨烯分散液的方法。

本發明方法首次將天然高分子木質素磺酸鈉等木質素兩親聚合物應用于超聲剝離法制備水相石墨烯分散液，同時在經濟環保的前提下實現石墨烯在水相中更好的分散，制備得到的石墨烯結構缺陷少，且濃度高，最低為0.1g/L(原料濃度為1g/L)。高濃度水相石墨烯的制備，既提高了原料利用率，又避免了后續使用過程中需要工藝濃縮石墨烯分散液，降低了工業化成本。

本發明的目的通過下述方案實現：

一種超聲剝離制備高濃度水相石墨烯分散液的方法，其特征在于包括以下步驟：