[發明專利]一種小尺寸單層石墨烯及其制備方法

有效

• 申請號: 201811624417.X
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109607520B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 白宇;趙東輝;周鵬偉
• 申請（專利權）人: 福建翔豐華新能源材料有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 廈門市新華專利商標代理有限公司 35203
• 代理人: 吳成開;徐勛夫

本發明公開一種小尺寸單層石墨烯及其制備方法，該方法通過引入濃磷酸并提高強氧化劑添加量對微晶石墨進行高程度的氧化剝離，再結合純化、超聲波粉碎和熱還原制得小尺寸單層石墨烯。本發明方法不使用硝酸鈉，通過引入濃磷酸并提高強氧化劑添加量對微晶石墨實現高程度的氧化剝離，獲得尺寸較小的氧化石墨烯片，該方法不使用過濾手段，通過離心、超聲波粉碎和冷凍干燥或真空干燥等手段在減輕氧化石墨烯片團聚的基礎上進一步縮小氧化石墨烯片的尺寸和厚度，進而通過熱還原獲得小尺寸單層石墨烯，克服現有制備方法的弊端。本發明方法制備出的石墨烯尺寸小于1μm，片層平均厚度小于1nm，碳氧元素比高于15，該方法工藝簡單，成本低，環境友好。

技術領域

本發明涉及石墨烯領域技術，尤其是指一種小尺寸單層石墨烯及其制備方法。

背景技術

石墨烯是一種特殊的由sp²雜化碳原子組成的二維單層碳納米材料，具有優異的導熱性、導電性、力學性能和很高的比表面積，因而在新能源、電子信息、新材料和環境保護等方面展露出廣闊的應用前景。相比于大尺寸多層石墨烯，小尺寸單層石墨烯具有更多的邊緣活性位點，可以更好地與金屬粒子、金屬氧化物等進行復合或更好地嵌入到高分子等基體中，在相關應用領域中顯示明顯的優越性。

以Hummers法為基礎的氧化剝離還原法是目前制備石墨烯最為常用和有效的方法，但以普通Hummers法對石墨原料進行氧化剝離而獲得的氧化石墨烯尺寸不均，大尺寸多層氧化石墨烯比例較高，并且在洗滌過濾過程中氧化石墨烯容易團聚，導致所得氧化石墨烯片及石墨烯片厚度（層數）增加。另外，目前用于制備石墨烯的石墨原料多為鱗片石墨和膨脹石墨等，粒徑較大，這也限制了小尺寸單層石墨烯的批量制備。

微晶石墨尺寸較小，并且相比其它石墨原料具有儲量豐富、價格低廉等優勢。因此以微晶石墨為原料，開發新型的小尺寸單層石墨烯制備技術對于增強石墨烯工業化應用的效果具有重要意義。

發明內容

有鑒于此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種小尺寸單層石墨烯及其制備方法，其對微晶石墨進行高程度的氧化剝離，并結合純化、超聲波粉碎和熱還原，制備得到小尺寸且單層的石墨烯，是一種綠色、成本低、條件可控、適合規模化制備小尺寸單層石墨烯的優良方法。

為實現上述目的，本發明采用如下之技術方案：

一種小尺寸單層石墨烯的制備方法，通過引入濃磷酸并提高強氧化劑添加量對微晶石墨進行高程度的氧化剝離，再結合純化、超聲波粉碎和熱還原制得小尺寸單層石墨烯。

作為一種優選方案，包括有以下步驟：

（1）將濃硫酸和濃磷酸均勻混合，再將強氧化劑在攪拌下緩慢加入到上述混合酸液中，待固體完全溶解后將其移入裝有微晶石墨的容器中，并在40-60℃水浴中攪拌5-60小時；

（2）將步驟（1）中所得溶液移入裝有冰塊的容器中，并持續進行攪拌，待冰塊完全融化時加入過氧化氫溶液直至溶液變為淡黃色；

（3）待冷卻至室溫后，將步驟（2）所得的溶液以10000-15000rad/min的速度離心，收集下層溶液并加入質量濃度為10%的稀鹽酸溶液進行洗滌，再將所得溶液以10000-15000rad/min的速度離心，收集下層溶液；

（4）向步驟（3）所得溶液中加入去離子水，攪拌均勻后以10000-15000rad/min的速度離心，收集下層溶液，重復上述操作直至下層溶液為中性；

（5）向步驟（4）所得下層溶液中加入去離子水，混合均勻后通過超聲波細胞粉碎機處理，再將溶液以4000-6000rad/min的速度離心，收集上層溶液，經干燥后獲得氧化石墨烯；

（6）將上述氧化石墨烯進行熱還原獲得小尺寸單層石墨烯。

作為一種優選方案，所述步驟（1）中濃磷酸占混合酸液的體積百分比為5%-20%。