[發明專利]一種石墨烯的制備方法

在審

• 申請號: 201510835632.4
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105347332A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 劉欣;馬勇;何海峰;趙麗芬;管勇;徐志翠;萬振高;王樂英
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京國智京通知識產權代理有限公司 11501
• 代理人: 孫文彬

技術領域

本發明屬于石墨烯制備技術領域，涉及一種石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯(graphene)是天然石墨的基本構造單元，是一種蜂窩狀有序排列的碳原子構成單層片狀結構，厚度僅為0.335nm，是世界上發現已知最薄、強度最高、導電性最好的材料。石墨烯具有單層碳原子緊密排列而成的二維六邊形點陣結構，比表面積達到2600m²/g。石墨烯具有優異的導電性及物理機械性能，橫向(面內)電導率高達106S/m，載流子遷移率高達15000cm²/(V·S)，極限強度可達130GPa，拉伸模量為1.01TPa，且導熱性能好，熱導率為5000W/(m·K)。因此石墨烯在聚合物復合材料、能源材料、電子通訊等領域具有廣闊的應用前景。

目前，世界上各國已經提出了各種石墨烯的制備方法，主要有化學氣相沉積法、氧化還原法、機械剝離法、液相剝離法等。但是上述的石墨烯的制備方法大多停留在實驗室階段，并不能應用于工業大規模的生產。例如氧化還原法制備石墨烯是研究最多的方法，但是氧化還原法得到的石墨烯表面會有一些含氧官能團，比如羥基(-OH)，羧基(-COOH)，環氧基(C-O-C)等，這些官能團的存在破壞了石墨烯的sp²雜化結構，使石墨烯內部產生了較多的缺陷，阻礙了電子的快速傳輸，并且氧化還原法生產石墨烯的工藝復雜(比如：氧化劑的分離、洗滌、氧化石墨烯的還原，還原過程還會產生石墨烯的聚集等問題)，能耗較高，并且產生了大量的含酸的廢液，對環境造成大量的污染。雖然化學氣相沉積法和SiC外延生長法制備的石墨烯具有較高的質量，缺陷較少，但是目前僅僅停留在實驗室階段，不利于宏觀的大規模制備石墨烯。液相剝離制備石墨烯的方法是將石墨或石墨衍生物如膨脹石墨等烯直接分散到溶劑中，再利用加熱或氣流的方式得到一定濃度的單片層或多片層石墨烯溶液。液相剝離的方法不會在生產石墨烯的過程中引入含氧官能團，即通過此種方法制備的石墨烯的結構比較完整，缺陷較少，保障了石墨烯優異的導電性能，并且該方法操作簡單。

然而，目前液相剝離制備石墨烯大都是采用超聲剝離的方式。中國專利(專利號：CN103910354)專門提出了利用液相超聲剝離的方法制備石墨烯，但是超聲法制備石墨烯的方式雖然能夠制備出缺陷比較少的石墨烯，但是產量較小，不能大規模生產。因此為了促進石墨烯的大規模生產和石墨烯的實際應用，有必要改變石墨烯的生產方式，使之能夠大規模生產。

發明內容

本發明目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種可以規模化生產缺陷少、產率高、成本低、分散性好和高質量的石墨烯制備方法。

為了實現上述目的，本發明石墨烯的制備方法具體包括以下步驟：

第一步、將天然石墨分散到溶劑中得到石墨懸浮液，石墨懸浮液濃度為3～60g/l，其中所述溶劑為1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，異丙醇，正丁醇，十二烷基苯磺酸鈉溶液中的一種；

第二步、將所述的石墨懸浮液體在膠體磨中剪切1～10min，壓力為0.1MPa，然后取出剪切完畢的石墨懸浮液；

第三步、將剪切完畢的石墨懸浮液進行離心分離留取上清液，然后再對上清液進行真空抽濾、干燥，獲得石墨烯。

進一步地，所述離心分離轉速為500-1000轉/min，處理時間為10min。

進一步地，所述天然石墨的碳含量為大于98％的石墨粉。

進一步地，所述的膠體磨為JM-5乳化瀝青試驗機。

本發明的石墨烯的制備方法采用原料來源廣泛天然石墨粉，利用膠體磨進行剪切，其原理是膠體磨沿徑向有多層刀齒，轉子和定子相互咬合，從而使石墨在刀齒周圍平面部位被高速研磨，在刀齒側棱處被高速剪切。石墨懸浮液從中心入口往磨盤邊緣出口沿螺旋S型軌跡運動，大大延長了路徑長度，增加了剪切和研磨時間及次數，通過劇烈的剪切力、摩擦力、高頻振動、高速漩渦的物理作用，使石墨顆粒能夠有效地實現剝離，大大提高了生產效率，可以工業化批量制備；同時制備出的石墨烯缺陷少、產率高、成本低、分散性好和高質量，大大增加了石墨烯的應用范圍；制備工藝簡單(省時、省工)，條件較易控制，溶劑可以回收利用減少了對環境的污染，因此具有較大的工業應用潛力。

附圖說明

圖1為本發明石墨烯的制備方法工藝流程圖；

圖2為本發明實施例制備的石墨烯的掃描電鏡圖；

圖3為本發明實施例制備的石墨烯X射線衍射圖；

圖4為本發明實施例制備的石墨烯紅外光譜圖(FTIR)；