[發(fā)明專利]一種利用脈沖激光掃描石墨懸浮混合液制備石墨烯的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610375347.3
• 申請(qǐng)日: 2016-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN106044755B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬玉林;趙吉鑫;劉軍;薛胤昌;臧艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院
• 主分類號(hào): C01B32/19
• 分類號(hào): C01B32/19
• 代理公司: 北京智為時(shí)代知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11498
• 代理人: 王加嶺,楊靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用脈沖激光在液面下掃描石墨懸浮混合液制備高質(zhì)量石墨烯的方法，屬于石墨烯制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯是2004年被發(fā)現(xiàn)的一種新型二維平面碳納米材料，具有以SP2雜化連接的單原子層結(jié)構(gòu)，緊密堆積成二維蜂窩狀，具有豐富而獨(dú)特的性能，已成為近年來(lái)備受矚目的國(guó)際研究前沿和熱點(diǎn)。近年來(lái)，石墨烯的研究主要圍繞宏量、可控、高質(zhì)量石墨烯的制備和拓展石墨烯應(yīng)用兩個(gè)方面展開。

為實(shí)現(xiàn)宏量、可控、高質(zhì)量制備石墨烯，研究人員先后發(fā)展了微機(jī)械分離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨烯(GO)還原法、熱分解SiC法、液相直接剝離法、外延生長(zhǎng)法等工藝與技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)石墨烯規(guī)模化可控制備和功能化可控修飾提供了基礎(chǔ)。對(duì)于制備石墨烯粉體而言，液相直接剝離法是最具潛力和發(fā)展前途的一種制備方法。

液相直接剝離法是先用強(qiáng)質(zhì)子酸處理石墨，形成石墨層間化合物，加入強(qiáng)氧化劑進(jìn)行氧化，形成了氧化石墨烯，然后用超聲分散至氧化石墨烯水溶液至清晰無(wú)顆粒，加入適量的還原劑去除氧化石墨表面的含氧官能團(tuán)，經(jīng)過(guò)濾、烘干即得石墨烯。該方法所需石墨原料價(jià)廉、易得且制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，可以大規(guī)模制備石墨烯，但該方法制備的石墨烯團(tuán)聚嚴(yán)重，其電子結(jié)構(gòu)及晶體的完整性受到嚴(yán)重破壞，電子性質(zhì)受到影響。另外，在制備過(guò)程中使用了大量的強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)還原劑，這給后續(xù)的廢水廢液環(huán)保處理帶來(lái)困難。

利用脈沖激光對(duì)懸浮在液體中石墨進(jìn)行循環(huán)掃描制備石墨烯是一種新的方法，具有制備工藝簡(jiǎn)單、周期短，環(huán)保無(wú)污染、石墨烯產(chǎn)率高、石墨烯上含氧官能團(tuán)少等優(yōu)點(diǎn)，可滿足大規(guī)模、高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)可控制備石墨烯的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種脈沖激光掃描石墨懸浮液制備高質(zhì)量石墨烯的方法，以及該方法所涉及的材料和脈沖激光掃描工藝。

本發(fā)明是將石墨、溶劑和穩(wěn)定劑按一定比例混合，采用超聲分散法獲得石墨懸浮混合液，利用循環(huán)泵使石墨懸浮混合溶液進(jìn)行循環(huán)；將脈沖激光在液面下進(jìn)行聚焦，然后進(jìn)行連續(xù)循環(huán)掃描；利用重力分離法對(duì)脈沖激光掃描后的石墨懸浮混合液的上清液進(jìn)行離心和干燥處理，即可獲得高質(zhì)量的石墨烯。

具體地，本發(fā)明提供的一種利用脈沖激光掃描石墨懸浮混合液制備石墨烯的方法，包含如下步驟：

(1)將石墨、溶劑和穩(wěn)定劑混合制備石墨懸浮混合液；

(2)采用循環(huán)泵使步驟(1)所得石墨懸浮混合液均勻連續(xù)循環(huán)流動(dòng)；

(3)將脈沖激光器的脈沖激光在石墨懸浮混合液的液體表面下聚焦，循環(huán)掃描石墨懸浮混合液；

(4)對(duì)脈沖激光掃描后的石墨懸浮混合液的上清液進(jìn)行離心分離，所得沉淀物在真空干燥箱干燥，獲得石墨烯。

所述石墨為鱗片石墨，其結(jié)構(gòu)為ABABAB……，粒徑180μm～300μm，固定碳C含量大于94％，石墨在石墨懸浮混合液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0％～30％。

本發(fā)明方法中，步驟(1)所述溶劑是水和有機(jī)溶劑的混合物，其中有機(jī)溶劑為乙醇、丙二醇、正丁醇、丙酮、乙醚、正丁醚、環(huán)己烷、甲苯的一種或二種，控制有機(jī)溶劑在該懸浮混合液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0％～20％。

步驟(1)所述穩(wěn)定劑為聚乙二醇、十二烷基磺酸鈉、油酸、十八胺、十二烷基硫酸鈉、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)的一種或二種，控制穩(wěn)定劑在石墨懸浮混合液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％～3.0％。

步驟(2)中，循環(huán)流動(dòng)速度為0.2mm/s～2.5mm/s。

本發(fā)明方法中，步驟(3)所述脈沖激光器為固體激光器，激光波長(zhǎng)為335nm、632nm、980nm或1064nm中的一種。

本發(fā)明方法的步驟(3)所述脈沖激光掃描采用的脈沖激光的重復(fù)頻率為0.5～15kHz、激光脈寬為20～100ns，輸出功率為50～600W，光斑大小為3mm×3mm～6mm×6mm，激光掃描速度2.0～15cm/s。

步驟(3)所述的脈沖激光聚焦在液體表面下0.5mm～3.0mm之間。

步驟(3)所述的循環(huán)掃描的掃描線速度3～20mm/s之間，掃描時(shí)間在10min～60min之間。

步驟(4)所述的對(duì)脈沖激光掃描后的石墨懸浮混合液的上清液進(jìn)行離心分離時(shí)的離心速度在2500～3500轉(zhuǎn)/分鐘之間，離心時(shí)間在5min～30min之間，所得沉淀物真空干燥時(shí)的真空度在0.01MPa～0.06MPa之間，溫度在70℃～90℃之間，干燥時(shí)間0.5h～3h之間。