[發(fā)明專利]高效剝離石墨粉制備大尺寸石墨烯的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710195017.0
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106976870B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張興祥;王玉周;劉煥炳;陳甜;劉海輝
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 天津才智專利商標(biāo)代理有限公司 12108
• 代理人: 劉美甜

本發(fā)明公開了一種高效剝離石墨粉制備大尺寸石墨烯的方法，包括如下步驟：1)將插層劑溶于去離子水，配制成插層劑溶液；其中插層劑為水溶性聚合物；2)向插層劑溶液中加入石墨粉，混合均勻，得到石墨粉懸濁液；3)將石墨粉懸濁液以50～450mL/min的速度通過微射流機(jī)，循環(huán)處理多次，得到懸濁液I；4)將懸濁液I過濾，用去離子水反復(fù)洗滌并濾干得到石墨烯濾餅，直接使用，或者采用噴霧干燥、真空干燥除去水分后得到石墨烯干粉。該方法利用微射流機(jī)對石墨粉進(jìn)行剝離，結(jié)合水溶性插層劑，一方面避免了采用超聲分離所不能規(guī)避的弊端，另一方面，水溶性插層劑便于去除；最終制得石墨烯缺陷少，尺寸在3～15μm。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高效剝離石墨粉制備大尺寸石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種由sp²雜化碳原子形成的蜂窩狀六角平面結(jié)構(gòu)的二維材料。石墨烯具有良好的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性能等眾多普通材料不具備的性能，在能源、電子材料、復(fù)合材料及環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。隨著石墨烯潛在用途的日益擴(kuò)大，石墨烯的宏量制備方法成為人們研究的熱點(diǎn)。已知的石墨烯制備方法包括機(jī)械剝離法、電化學(xué)法、氧化石墨還原法、外延生長法、化學(xué)氣相沉積法等。近年來，采用液相法機(jī)械剝離石墨烯技術(shù)得到格外重視。

中國發(fā)明專利申請CN103253659A公開了一種超聲波剝離石墨制備石墨烯的方法，將石墨粉末和插層劑按一定比例在有機(jī)溶劑中均勻混合，再利用超聲波浴進(jìn)行剝離一定時間，離心分離，過濾后即獲得石墨烯。利用該方法制備石墨烯的效率不高，而且隨超聲波處理時間延長，石墨片尺寸變小，其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制，用于聚合物增強(qiáng)改性效果不佳，用于導(dǎo)電改性則需要更高的添加量。中國發(fā)明專利申請CN 103466608A公開了一種球磨制備石墨烯的方法，將石墨粉與烷基六元芳環(huán)或稠環(huán)聚醚型非離子表面活性劑與水混合后置于球磨罐中，以200-500rpm的轉(zhuǎn)速球磨5-30小時，離心分離，制得不同濃度的石墨烯水溶液。采用此方法生產(chǎn)石墨烯雖然效率很高，但極易造成晶格缺陷，且得到的石墨烯尺寸較小，有時石墨片的尺寸僅有數(shù)百納米，阻礙了石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用?！对偕涂沙掷m(xù)能源雜志(JOURNAL OF RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY 5，033123(2013))》公布了一種借助1-芘甲酸的π-π共軛作用，采用球磨法制備石墨烯的技術(shù)，所使用的插層劑雖然輔助剝離作用明顯，但去除困難，插層劑成本高。

綜上所述，目前機(jī)械剝離制備石墨烯以超聲剝離和球磨剝離為主，超聲剝離法效率較低，石墨片尺寸小，導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)品、質(zhì)量降低；球磨法利用研磨對石墨施加壓力，使石墨剝離成石墨烯，但這種沖擊力極易造成石墨烯的晶格缺陷，降低石墨烯產(chǎn)品的晶體尺寸，同時研磨介質(zhì)的強(qiáng)大壓力會導(dǎo)致石墨層結(jié)構(gòu)變得更加緊密反而會導(dǎo)致剝離效果降低，造成研磨時間長、成本高昂，因此難以進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；使用1-芘甲酸類插層劑去除困難，以及生產(chǎn)成本增高。

中國發(fā)明專利申請CN103253659A公開了一種超聲波剝離石墨制備石墨烯的方法，將石墨粉末和插層劑按一定比例在有機(jī)溶劑中均勻混合，再利用超聲波浴進(jìn)行剝離一定時間，離心分離，過濾后即獲得石墨烯。雖然使用插層劑提高了剝離效率，但是依然不能避免采用超聲分離方法所帶來的弊端。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種高效剝離石墨粉制備大尺寸石墨烯的方法，其利用微射流機(jī)對石墨粉進(jìn)行剝離，結(jié)合水溶性插層劑的使用，一方面避免了采用超聲分離所不能規(guī)避的弊端，另一方面，水溶性插層劑便于去除；最終制得石墨烯缺陷少，尺寸在3～15μm。

為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高效剝離石墨粉制備大尺寸石墨烯的方法，包括如下步驟：

1)將插層劑溶于去離子水，配制成插層劑溶液；

其中所述插層劑為水溶性聚合物，其在石墨烯表面能形成π-π共軛鍵；