[發明專利]一種制備石墨烯的方法

在審

• 申請號: 202210030539.6
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114195137A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 楊盛賢
• 申請（專利權）人: 曲靖華金雨林科技有限責任公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/194;C01B32/196;C25B1/135;C25B1/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種制備石墨烯的方法，屬于納米材料技術領域。石墨烯還原程度不夠好，提純困難，分散困難，限制了石墨烯的應用。本發明首先在化學還原的基礎上，進一步使用電化學還原對氧化石墨烯深度還原，提高了石墨烯的還原程度。隨后添加分散劑與石墨烯溶液反應，通過反應產物保持石墨烯均勻分散在溶液中，避免了石墨烯的團聚。然后通過不同溶劑過濾，除去了各類雜質，并使得石墨烯均勻分散在各種溶劑中。最后使用電滲析電解的方法，除去石墨烯溶液（有機溶劑體系）中的殘余水分，得到除去水分后在有機溶劑中均勻分散的石墨烯溶液。本發明工藝簡單，可重復性高，有應用價值，具有推廣的可能性。

技術領域

本發明屬于新材料制備技術領域，更具體講，提供一種制備石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子緊密堆積組成的單層二維材料。碳原子有4個價電子，其中3個電子以sp²雜化形成σ鍵，通過σ鍵與其他三個碳原子連接成六邊形結構，第4個未成鍵電子與平面垂直形成π鍵。基于獨特的晶體結構，石墨烯具體優良的光學、熱學、電學、磁學和力學特性，如超強的機械性能、極高的載流子遷移率、極高的導熱性能、良好的電磁屏蔽性能、良好的光學特性等。

雖然石墨烯具有諸多優良特性，但四個主要困難阻礙了石墨烯規模化應用。困難一，如何提高石墨烯的還原程度；困難二，石墨烯如何均勻分散在溶劑中；困難三，制備的石墨烯如何提純；困難四，部分下游應用需要嚴格控制水分含量，如何除去石墨烯制備過程中引入的水分。

目前通常采用氧化石墨法大規模生產氧化石墨烯，再對氧化石墨烯進行還原得到石墨烯。使用化學試劑還原的石墨烯，只能除去部分含氧官能團，恢復部分結構，恢復部分性能，還原效果不夠好。

石墨烯難以分散在溶劑中的原因在于，碳原子間的π-π相互作用以及片層間的范德華作用力，使得石墨烯容易團聚，很難分散，這是石墨烯的固有性質。純凈的石墨烯易于團聚，導致很多在納米尺度上表現優異的性能隨著石墨烯片層的團聚而顯著降低甚至消失。石墨烯疏水疏油的特性使其不能分散在水中，也不能廣泛地分散在各種有機溶劑中，只能少量不穩定地分散在部分有機溶劑中，極大地限制了應用。因此研發均勻分散的石墨烯溶液具有重要意義，是促進石墨烯應用與發展的重要條件。

在石墨烯的制備過程中會引入大量雜質，殘留的雜質會降低石墨烯的品質，嚴重影響石墨烯的應用，提純困難一直是阻礙石墨烯應用的重大困難。制備石墨烯時，通常利用石墨粉、硫酸、硝酸鹽、氯酸鹽、高錳酸鉀、鹽酸、磷酸等試劑生產氧化石墨烯，氧化石墨烯再經過還原得到石墨烯，不可避免地在石墨烯中引入鈉、鉀、錳、硫、氮、氯、磷等雜質元素，以及大量的殘余還原劑。很多下游應用對石墨烯的純度要求很高，需要嚴格控制石墨烯中的雜質含量，因此提純至關重要。

現有的提純方式多為在氧化石墨烯生產階段，通過透析、離心、抽濾、沉淀等方式進行提純。但這些過程均存在各類缺點，包括：成本高、時間長、效果差、設備復雜、殘留雜質含量高等。在工業上除去石墨烯中的雜質非常困難，目前還沒有行之有效的辦法，這是制約石墨烯制備和應用的重要困難。

部分下游應用對石墨烯中水分含量的要求很高，需要嚴格控制水分含量，例如鋰離子電池中的三元正極材料要求水分含量小于500 ppm，磷酸鐵鋰要求水分含量小于1000ppm，硬碳要求水分含量小于1000 ppm。使用石墨烯溶液（有機溶劑體系）作為鋰離子電池導電劑，需要除去石墨烯溶液（有機溶劑體系）中的殘余水分，使得水分含量滿足鋰離子電池的標準。除了鋰離子電池之外，很多下游應用也需要嚴格控制石墨烯溶液（有機溶劑體系）中的水分含量。

因此，在現有技術基礎上，本領域技術人員需要研究一種高效、優異、便捷、低成本的石墨烯制備方法，同時做到以下四點：（1）提高石墨烯的還原程度；（2）高效除去石墨烯中的各類雜質；（3）使得石墨烯均勻分散在各類有機溶液中；（4）除去石墨烯溶液（有機溶劑體系）中的殘余水分。

發明內容