[發(fā)明專利]一種層數(shù)可控的石墨烯制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010011948.2
• 申請(qǐng)日: 2020-01-07
• 公開（公告）號(hào): CN111017916A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張蕾;何璇;胡獻(xiàn)剛;周啟星
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/19
• 分類號(hào): C01B32/19
• 代理公司: 天津耀達(dá)律師事務(wù)所 12223
• 代理人: 張耀

本發(fā)明涉及一種層數(shù)可控的石墨烯制備方法，適用于宏亮制備層數(shù)可控的石墨烯片。所述方法包括以下步驟：1)將大尺寸石墨均勻分散在甲基吡咯烷酮(NMP)中，調(diào)節(jié)溶液pH值至11；2)分散均勻的懸浮液轉(zhuǎn)移至錐形瓶，放入超聲清洗儀，超聲分散得到多層石墨烯；3)多層石墨烯分散液進(jìn)一步微波加熱再超聲剝離一定時(shí)間，將溶液置入離心管，高速離心，清洗三次，冷凍干燥得到少層和單層石墨烯材料。本發(fā)明采用微波加熱結(jié)合超聲剝離的方法制備不同層數(shù)的石墨烯材料，原料價(jià)廉易得，合成裝置簡(jiǎn)單，制備方法可操作性強(qiáng)，可以迅速大量地合成比表面積大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的石墨烯納米材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種層數(shù)可控的石墨烯大量制備方法，適用于大規(guī)模制備層數(shù)可以控制的石墨烯。

背景技術(shù)

石墨烯是石墨烯是一種由sp²雜化碳原子組成的二維原子層，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械學(xué)性能，使其在復(fù)合材料，電子器件、催化材料、電池材料、氣體傳感器及氣體存儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。如今石墨烯已成為碳材料家族最受關(guān)注的材料，也成為了材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最為活躍的研究前沿。

石墨烯獨(dú)特的電學(xué)性能是其在眾多領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。石墨烯的性能與其層數(shù)緊密相關(guān)，層數(shù)不同的石墨烯表現(xiàn)出不同的性能。單層石墨烯是半金屬的，只有電子和空穴兩種載流子，且它的載流子是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。同時(shí)，電子遷移率在室溫下就可以達(dá)到2.5×10⁵cm²V^-1s^-1。單層石墨烯所能承受的最大電流密度甚至是銅的幾百萬倍。而3-10層的石墨烯則擁有多種載流子，并且其價(jià)帶和導(dǎo)帶出現(xiàn)明顯的重疊。因此，大規(guī)模制備層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯是對(duì)其理化性能進(jìn)行調(diào)控和開展應(yīng)用探索的前提和保障。

到目前為止，人們已經(jīng)提出了大量制備石墨烯的方法。這些方法可以分為兩大類，即自底向上方法和自頂向下方法，主要有機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法，氧化還原法等。其中，機(jī)械剝離法雖然得到的片層完整，但是制備周期長(zhǎng)，隨機(jī)性大，制備效率低，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備,不能用于工業(yè)化生產(chǎn)中；氣相沉積法雖工藝簡(jiǎn)單，但是轉(zhuǎn)移難度大，效率低，可控性低，也無法大量用于工業(yè)生產(chǎn)；氧化還原法制成的石墨烯在結(jié)構(gòu)和組成上有較大缺陷，大大影響石墨烯的各種性能。液相剝離是目前石墨烯制備中應(yīng)用最廣泛的方法之一，它在特定有機(jī)溶劑中通過超聲處理來幫助剝離，得到高質(zhì)量和高產(chǎn)量的石墨烯片層，是一種經(jīng)濟(jì)高效的石墨烯制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種大量制備層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的新方法，該方法具有工藝流程簡(jiǎn)單,操作容易,產(chǎn)物質(zhì)量高、可控性好及有望大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，依次包括以下步驟：

步驟:1：選用了水/有機(jī)溶劑混合物作為剝離介質(zhì)，再加入氫氧化鈉作為插層劑，加入適量石墨均勻分散；

步驟2：上述混合液用微波快速加熱方法使石墨層間膨脹，進(jìn)一步通過超聲處理進(jìn)一步剝離；

步驟3：反應(yīng)結(jié)束后用高速離心方法去除尚未完全剝離的石墨以及大尺寸的厚石墨片，水洗，冷凍干燥進(jìn)而得到層數(shù)可控的高質(zhì)量和高產(chǎn)量石墨烯。

步驟1中所述所述的水/有機(jī)溶劑混合物為80％的甲基吡咯烷酮(NMP)溶液，加入NaOH至溶液體系pH值為11。

步驟2中所述的微波加熱功率為200-300W，加熱時(shí)間為10分鐘；微波處理后的混合液再繼續(xù)超聲剝離30-90分鐘，功率250W。

步驟3中，混合液1500-10000rpm離心20分鐘，之后水洗三次，冷凍處理得到凍結(jié)物，冷凍干燥得到產(chǎn)物。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提出的一種大量制備層數(shù)可控的石墨烯的方法，采用超聲結(jié)合微波加熱的液相剝離法，原料價(jià)廉易得，合成裝置簡(jiǎn)單，制備方法可操作性強(qiáng)，可以迅速大量地合成比表面積大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的不同層數(shù)的石墨烯納米材料，解決了目前制備單層石墨烯條件苛刻的缺點(diǎn)。