[發明專利]一種石墨烯的制備方法

在審

• 申請號: 201610038704.7
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105523545A
• 公開（公告）日: 2016-04-27
• 發明（設計）人: 趙祎松;孔瑩;趙東林;姚冉冉;林歡
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;H01G11/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術領域】

本發明涉及一種石墨烯的制備方法，具體講涉及一種以中間相炭微球為原料制備石墨烯 的方法。

【背景技術】

石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結構碳質材料，其基本結構單 元為有機材料中最穩定的苯六元環。石墨烯是其它石墨材料的基本單元，可以翹曲變成零維 的富勒烯，卷曲形成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨。由于石墨烯具有特殊的納米結 構，使其具有一系列特殊的性質。石墨烯在平面上僅有一層碳原子，理論厚度0.35nm，是目 前發現最薄的材料。石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元，它可以包裹形成零維的富勒烯， 也可以卷曲形成一維的碳納米管，還可以堆疊形成三維的石墨。由于石墨烯的特殊結構，使 其表現出許多優良的物理化學性質如：較高的楊氏模量(1000GPa)，斷裂強度(125GPa)， 熱導率(5000Wm^-1K^-1)，載流子遷移率(200000cm²V^-1S^-1)，比較面積(2630m²g^-1)，以及 其他奇特的電學性質，如量子霍爾效應，量子隧道效應，電子輸運-零質量的狄拉克-費米子 行為等。石墨烯這些特殊的性質，可以使其應用在生物材料，增強復合材料，傳感材料，催 化劑載體，能量存儲等領域，展示出了廣闊的應用前景。石墨烯材料碳原子排列非常牢固堅 硬，它比鉆石還強硬，其強度比世界上最好的鋼鐵還高100倍，是目前世界上強度最高的材 料。石墨烯具有奇特的電學性能是因為它具有獨特的電子結構。石墨烯的價帶(π電子)和導 帶(π電子)相交于費米能級處，是能隙為零的半導體，在費米能級附近其載流子呈現線性的 色散關系。這種現象導致了許多新奇的電學性質。例如，室溫下的量子霍爾效應、雙極性電 場效應以及量子隧道效應等。由于石墨烯的特殊性質，使其在高傳導率集成電路方面具有很 高的潛在應用價值。石墨烯很有可能成為組建納米電子器件的最佳材料，可能是下一代電子 器件的替代品，用它制成的器件可以更小，耗能更低，電子傳輸速度更快。然而石墨烯制備 技術存在石墨烯尺寸小且分布不均、難以批量生產以及性能難以精確控制等瓶頸問題，這極 大的阻礙了石墨烯規模化應用的步伐。

石墨烯由于其優異獨特的性能，越來越多的科學工作者開始研究石墨烯的制備方法。目 前，石墨烯的制備方法主要有微機械剝離法、化學氣相沉積法以及氧化還原法。微機械剝離 法是利用膠帶直接從石墨晶體上剝離石墨烯薄片，這種方法可以制備出單層的石墨烯，但其 尺寸不容易控制，只能得到少量的石墨烯，不能規模化生產。化學氣相沉積法可以制備出具 有較完整晶體結構的石墨烯，但所制得的石墨烯產量低，難以規模化生產。氧化還原法是將 石墨氧化成氧化石墨，再通過水合肼還原或熱解脫氧、超聲得到石墨烯片層。這種方法可以 制備石墨烯單片，制備方法簡單，可以規模化生產，因此得到眾多學者的認可，是目前最常 用的制備方法。然而由于在強氧化過程中，引入了眾多的官能團，使得石墨烯的電子結構和 晶體完整性受到嚴重的破壞，缺陷較多，在微電子領域的應用受到限制。因此，探索一種可 以獲得大量穩定、完整、相容性良好以及層數可控的石墨烯的方法對于石墨烯的廣泛應用具 有重要意義。

【發明內容】

為克服現有技術的不足，本發明提供一種大規模制備層數可控石墨烯的方法，該方法具 有工藝簡單、產率高、可控性好等優點。

本發明的另一目的是提供一種制備石墨烯的新型石墨原料，石墨化的中間相炭微球。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種石墨烯的制備方法，依次包括以下步驟：

步驟一：把中間相炭微球于氮氣保護下碳化化，把碳化中間相炭微球在在氬氣氣氛下升 溫至2300-3000℃，保溫1-5小時進行石墨化處理，得到石墨化中間相炭微球；

步驟二：將步驟一中所得的石墨化中間相炭微球用混酸預氧化后加入高錳酸鉀，室溫攪 拌2小時后升溫至50℃，攪拌2小時，加入去離子水，用雙氧水中和高錳酸鉀終止反應，得 到氧化石墨的溶液，過濾并用6wt％的鹽酸溶液和去離子水洗滌沉淀，再在沉淀中加入去離 子水超聲分散3小時，得到氧化石墨烯水溶液；

步驟三：將步驟二中獲得的氧化石墨烯水溶液離心分離，取上層氧化石墨烯水溶液于70℃ 烘箱中干燥，獲得氧化石墨烯；