[發明專利]一種制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201610747243.0
• 申請日: 2016-08-28
• 公開（公告）號: CN106241789B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 鐘傳新;蘇情;王君
• 申請（專利權）人: 鐘傳新
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司11212
• 代理人: 周錦全

技術領域

本發明屬于碳材料技術領域，尤其涉及一種制備石墨烯的方法。

背景技術

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家使用微機械剝離的方法發現了石墨烯，并于2010年獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯為一種單一原子厚度且具有sp2鍵結的碳原子的平板結構，理論上，具有完美六角網狀構造，呈現優異的電子穩定性、導熱性、光性能、力學性能等。自從石墨烯被發現以后，由于其優異的性能和巨大的市場應用前景引發了物理和材料科學等領域的研究熱潮。石墨烯是目前最薄也是最堅硬的納米材料，同時具備透光性好、導熱系數高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等眾多普通材料不具備的性能，未來有望在電極、電池、晶體管、觸摸屏、太陽能、傳感器、超輕材料、醫療、海水淡化等眾多領域廣泛應用，是最有前景的先進材料之一。然而,目前還沒有有效的方法可量產高質量石墨烯。

石墨烯的制備方法主要包括化學氣相沉積法、氧化插層再還原法、液相剝離法、機械剝離法。其中化學氣相沉積法可以獲得高質量的石墨烯，然而產率低，對襯底要求高，轉移存在極大的困難，只適用于微納電子器件或透明導電薄膜，不能滿足儲能材料及功能復合材料領域的大規模需求；氧化插層再還原法可以實現批量生產石墨烯，但是由于氧化過程中石墨烯的結構遭到破壞，難以得到高質量的石墨烯產品，易污染環境，產生大量的廢水，其成本較高，不易于工業化生產；液相剝離法是在合適的溶劑中，利用超聲能量對石墨片層進行解離，然而，溶劑剝離法制備石墨烯存在難以去除殘留溶劑的問題，而且溶劑剝離產率一般很低，限制了石墨烯的工業化生產。

中國發明專利申請號201280019582.7公開了一種制備石墨烯的方法，通過研磨、球磨、氣流磨等借助離子液體研磨4個小時獲得石墨烯。借助離子液促進了石墨的剝離，但采用長時間的研磨獲得的石墨烯晶體尺寸小，而且借助離子液會使石墨烯層晶格受到影響。

中國發明專利申請號201310411516.0公開了一種石墨烯材料的球磨制備方法，該發明將石墨碳與烷基六元芳環或稠環聚醚型非離子表面活性劑的質量體積比為1：2～1：15和去離子水混合裝于球磨罐，固定于球磨機以200-500rpm的轉速球磨5-30小時，制得不同濃度石墨烯水溶液。

中國發明專利申請號201510073825.0公開了一種噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置及其生產方法，其通過一個磨盤似的轉子，轉子轉動時，轉子的外表面與物料倉的內表面研磨，從而使得石墨被剝離減薄獲得石墨烯。

根據上述，通過機械方式反復地研磨盡管獲得了石墨烯，但是由于受到研磨壓應力的作用，研磨撞擊對石墨晶格造成一定的破壞，由于研磨對石墨施加壓力，對剝離的石墨產生巨大的沖擊力，這種沖擊力會使石墨烯層產生結構缺陷，極易造成石墨烯層結構晶格缺陷，降低剝離后石墨烯的尺寸，使得制得的石墨烯產品晶體尺寸小，難以獲得大尺寸高質量石墨烯，無論是機械式球磨研磨還是機械式氣流研磨，均是犧牲了石墨烯尺寸和晶格完整性；另外，研磨介質的強大壓力會導致石墨層結構變得更加緊密反而會導致剝離效果降低，造成研磨時間長、成本非常高昂；再者，目前研磨生產石墨烯屬于間歇式，在對石墨進行剝離的同時，對已剝離的石墨烯無法及時篩選出，因而難以進行連續穩定的量產，難以實現石墨烯工業化生產。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種制備石墨烯的方法，本發明提供的制備方法其碳源來源廣泛，制備工藝簡單簡單，生產成本低，可有效保護石墨烯的結構，易于實現石墨烯的工業化生產。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：

一種制備石墨烯的方法，包括以下步驟：

(1)將層狀化合物與溶劑混合均勻，在50-70℃條件下，超聲30-60min，最后洗滌、干燥得到改性層狀化合物；

(2)將催化劑與所述步驟(1)得到的改性層狀化合物加入到額定功率為500-600w的微波器中處理10-20min，得到負載有催化劑改性層狀化合物；

(3)將碳源的水溶液與所述步驟(2)得到的負載有催化劑改性層狀化合物，加入到經超聲波處理或機械攪拌得到負載有催化劑改性層狀化合物懸浮液，在5-20Mpa的真空壓條件下，使碳源充分進入層狀化合物的層間，最終過濾得到混合物；

(4)將所述步驟(3)得到的混合物加入到高溫反應器中，在氬氣80-100ml/min的保護下，同時使反應器升溫，溫度控制在800-1000℃，反應3-8h，自然冷卻至室溫，并用質量分數為30％-50％硝酸去除層狀化合物，并過濾得到石墨烯。