[發明專利]一種大尺寸石墨烯材料的生產方法

有效

• 申請號: 201710729703.1
• 申請日: 2017-08-23
• 公開（公告）號: CN107585753B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 于會珠;阮偉;鄭燁亮
• 申請（專利權）人: 阮偉
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 沈淵琪

本發明涉及一種大尺寸石墨烯材料的生產方法。本發明的方法主要采用獨特結構特征的G物質與石墨進行相互作用，直接一步即可輕易獲得大橫向尺寸石墨烯的水溶液。本發明可獲得橫向尺寸非常大、濃度極高的厚度在5層以內的石墨烯，由于采用的是非氧化法，所得石墨烯電導率較高；本發明方法極為簡易，無需采用復雜多步驟的工藝流程，且所使用的大多數原料成本較低廉且環境危害性小，非常適合大規模工業化生產。

技術領域

本發明屬于石墨烯技術領域，具體涉及一種大尺寸石墨烯材料的生產方法。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子按照六邊形排布并相互連接而成的特殊二維材料，因其具有高導電性、高機械強度、超大比表面積、高熱導率、高透明性等極其優異的綜合物理性能，可以被用來制備高靈敏度傳感器、觸摸顯示屏、超級電池及高效太陽能電池等多種新型器件，在電子、航天軍工、新能源等各種領域具有重要應用價值。

要實現石墨烯的大規模工業化生產和實際應用，石墨烯的生產制備方法需至少滿足三個重要因素：高質量、大批量、低成本，盡管目前國內外有許多關于石墨烯制備方法的報道，但從高質量、低成本量產等實際需求來看，大多數已報道的石墨烯制備方法都具有各種各樣的缺陷。比如，微機械剝離法通過直接從原料剝離來獲得高質量石墨烯，雖然該方法操作相對簡單，但具有耗時、產率低下、產品尺寸不易控制等缺點，不適于大批量生產；氣相沉積法可以滿足規模化生產高質量石墨烯的要求，但同時具有工藝復雜、成本較高的缺陷；氧化法是目前最常用的制備石墨烯的方法，該方法相對容易量產且工藝相對簡單，但所獲得的石墨烯的物理性能卻由于強氧化劑等物質的作用受到較大破壞，雖然近年來人們進一步提出氧化還原法來還原處理氧化石墨烯，使制得的石墨烯產品性能有較大改善，但這類方法中使用的強氧化劑、強還原劑等物質卻存在腐蝕性強、毒性大、環境成本高等缺點和問題；中國專利（CN104495828 A）公開了一種液相剝離法制備石墨烯的方法，將多步處理后的石墨加入到有機溶劑（苯系物、液態稠環化合物等）和與石墨烯表面能相似匹配物質的混合液中，超聲處理得到石墨烯，該類方法雖避免了傳統氧化法對石墨烯性能的破壞，但需使用大量有機溶劑和找到與石墨烯表面能相似匹配物質，并不適合石墨烯大規模工業化量產；Hernandez等人（Nature Nanotechnology 2008, 3, 563-568）通過使用與石墨烯表面能匹配的有機溶劑如NMP制得了高質量石墨烯，但使用的該類有機溶劑與水相比，具有成本太高的致命缺陷，不適合真正的大規模工業化量產，因而尋找一種完全用水來做溶劑生產石墨烯的方法具有極其重要的工業化價值；中國專利（CN103827023 A）和（CN104176727 A）公開了用水做溶劑來制備石墨烯的方法，分別需要不斷連續地調節溶液表面張力和事先調配好與石墨烯表面能相似匹配的溶液，但所得石墨烯性能如尺寸等并未報道，且均涉及到需調節溶液表面張力去匹配石墨烯表面能的復雜多步驟工藝環節，并不利于石墨烯的大規模工業化量產；Coleman等人(J. Am. Chem. Soc.2009, 131, 3611–3620)通過利用十二烷基苯磺酸鈉的π-π作用和庫倫靜電排斥力在水中制得了性能較好的石墨烯，但所獲得石墨烯分散液濃度卻很低(0.002～0.05g/L)，不適合大規模量產；此外，Xu等人（Nature Communications 2014, 5, 3689）在2014年報道了石墨烯物理性能如熱導率與其橫向尺寸成正比的研究結果，指出了制備大橫向尺寸石墨烯的重要性，而大多數以往研究報道中所獲得的石墨烯橫向尺寸都較小，大多為納米級或幾微米級，因而難以滿足很多工業化生產和應用中對石墨烯的性能要求。

近年來，人們不斷提出其他許多新的石墨烯制備方法，但通常都會涉及如制備工藝復雜、成本高、環境危害大等等一系列問題，能同時滿足高質量、大批量、低成本三個重要因素的石墨烯制備方法很少。