一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，將石墨浸泡到插層劑中，使溶劑分子插層到石墨的層間，得到石墨層間化合物，即可膨脹石墨。然后將可膨脹石墨在氬氣的保護(hù)下快速加熱，石墨層間的溶劑分子體積急速變大膨脹，這個力大于石墨層間的范德華力，將石墨層間膨脹開，得到膨脹石墨。在得到膨脹石墨后利用超聲分散液相剝離法進(jìn)行剝離篩選，得到石墨烯溶液，再經(jīng)過抽濾、洗滌、烘干，得到石墨烯固體粉末。將石墨烯固體經(jīng)超聲分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到單層率高、復(fù)合性強(qiáng)、分散均勻的石墨烯甲基環(huán)己烷溶液，實驗證明石墨烯甲基環(huán)己烷溶液在涂料、清漆的性能改善有很重要的用途。
【專利說明】一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯，作為一種新型的碳材料，由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子組成，是世界上最薄的二維材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能，自2004年發(fā)現(xiàn)以來得到研究者的廣泛關(guān)注。其在復(fù)合材料、太陽能電池、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，且有望在半導(dǎo)體領(lǐng)域代替硅材料，在下一代集成電路、儲能材料、柔性顯示材料、生物制藥、航空航天、環(huán)保材料、導(dǎo)熱材料、高強(qiáng)度鋼材等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是影響和引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略性新材料。因此亟待尋求一種大量制備石墨烯的方法。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)對石墨烯的制備方法包括物理方法和化學(xué)方法，每種方法各有優(yōu)勢，同時也有各自的缺點(diǎn)。利用微機(jī)械脫落石墨的物理方法制備單晶石墨烯薄膜晶格缺陷少，性能優(yōu)異，但該方法需要超高的溫度條件，工藝復(fù)雜，制備時間長，產(chǎn)量低等缺點(diǎn)，只限于實驗室基礎(chǔ)研究。模板外延法是在高溫和超高壓條件下，在單晶SiC表面外延生長制備石墨烯，這種制備方法可獲得大面積的石墨烯，但其成本較高、產(chǎn)物不易從基底上分離等因素極大地限制了該方法的推廣和應(yīng)用?；谖锢矸椒ǖ木窒扌?，化學(xué)方法因其產(chǎn)率高，成本低，亦可對石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾的優(yōu)勢引起了研究者的關(guān)注。該方法是在強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑作用下對石墨粉進(jìn)行氧化插層生成氧化石墨，再超聲剝離分散為單層制備成氧化石墨烯水溶膠，最后將其脫氧還原成石墨烯。其中，選擇合適的還原劑是研究者極為關(guān)注的問題。常用的還原劑有水合肼、對苯二酚、硼氫化鈉、還原性糖、鋁粉等，但水合肼和對苯二酚都有很強(qiáng)的毒性，對人體和環(huán)境有害；抗壞血酸雖是一種高效、環(huán)境友好型還原劑，然而其價格昂貴，不利于工業(yè)化大規(guī)模生 產(chǎn)。
[0004]基于已有的技術(shù)，通過N-甲基吡咯烷酮進(jìn)行插層加熱膨脹的石墨烯水溶液已經(jīng)取得初步成功，但在部分工業(yè)用途中，水溶液不具備其它有機(jī)化合物的物質(zhì)特性，無法滿足多樣化工業(yè)用途。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，利用N-甲基吡咯烷酮作為插層劑，選用天然石墨為原料，通過多次進(jìn)行超聲制備均勻分散的單層石墨烯溶液，抽濾、洗滌、烘干得到石墨烯固體粉末，將石墨烯固體經(jīng)超聲分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到分散均勻的石墨烯甲基環(huán)己烷溶液。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(I)在-5、°c下將石墨加入到有機(jī)溶液中配置石墨溶液，充分?jǐn)嚢?0mirT2h，通過超聲使溶劑分子插層到石墨的層間，得到可膨脹石墨；(2)將可膨脹石墨使用氬氣進(jìn)行充分保護(hù)，在7(T80°C的溫度中充分加熱10mirT2h，得到膨脹石墨；
(3)利用超聲分散的液相剝離法對膨脹石墨進(jìn)行剝離篩選，得到石墨烯溶液；
(4)再經(jīng)過抽濾、洗滌、烘干，得到石墨烯固體粉末；
(5)將石墨烯固體經(jīng)超聲分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到分散均勻的石墨烯甲基環(huán)己烷溶液。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于用N-甲基吡咯烷酮插層加熱膨脹液相剝離法制得的產(chǎn)品可以制作成干粉或者分散于各種分散液，有利于與石油焦改性活性炭等多種材料復(fù)合。將石墨烯分散在甲基環(huán)己烷溶液中，在涂料、清漆的性能改善有很重要的用途。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為石墨烯原子力顯微鏡圖片。
[0009]圖2為石墨烯高度分布圖。
[0010]圖3為石墨烯掃描電子顯微鏡示意圖。
[0011]【具體實施方式】:
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方 式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0012]實施例1
一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(I)配制100ml由十二烷基三苯基溴化膦與N-甲基吡咯烷酮以1:2的比例組成的溶液，在-1°C的環(huán)境中將0.Sg的800目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0013](2)在氬氣保護(hù)環(huán)境下，加熱至75°C并保溫90min，得到膨脹石墨。
[0014](3)在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進(jìn)行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0015](4)對石墨烯溶液進(jìn)行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。
[0016](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml甲基環(huán)己烷溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲Ih后使石墨烯均勻分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到黑色單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液。
[0017]實施例2
一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(I)配制100ml由十二烷基三苯基溴化膦與N-甲基吡咯烷酮以2:1的比例組成的溶液，在-1°C的環(huán)境中將0.Sg的800目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0018](2)在氬氣保護(hù)環(huán)境下，加熱至75°C并保溫90min，得到膨脹石墨。
[0019](3 )在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進(jìn)行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0020](4)對石墨烯溶液進(jìn)行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。
[0021](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml甲基環(huán)己烷溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲Ih后使石墨烯均勻分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到黑色單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液。
[0022]實施例3
一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(I)取100ml十二烷基三苯基溴化膦溶液，在-1°C的環(huán)境中將0.8g的800目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0023](2)在氬氣保護(hù)環(huán)境下，加熱至75°C并保溫90min，得到膨脹石墨。
[0024](3)在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進(jìn)行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0025](4)對石墨烯溶液進(jìn)行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。 [0026](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml甲基環(huán)己烷溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲Ih后使石墨烯均勻分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到黑色單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液。
[0027]實施例4
一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(I)取100ml N-甲基吡咯烷酮溶液，在-1°C的環(huán)境中將0.Sg的800目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0028](2)在氬氣保護(hù)環(huán)境下，加熱至75°C并保溫90min，得到膨脹石墨。
[0029](3)在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進(jìn)行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0030](4)對石墨烯溶液進(jìn)行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。
[0031](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml甲基環(huán)己烷溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲Ih后使石墨烯均勻分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到黑色單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液。
[0032]在單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液的制備過程中，選用N-甲基吡咯烷酮作為插層劑對石墨剝離成單層石墨烯的效果較好，單層率高達(dá)99%以上，易于石墨烯分散在其他有機(jī)溶劑中。最后，利用原子力電子顯微鏡圖1-2所示，和掃描電子顯微鏡圖3所示，對石墨烯的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。石墨烯的原子力顯微鏡圖1所示，表明單層石墨烯層是平整和平滑的，厚度圖2所示，約為0.5-1.0nm。同時，石墨烯的掃描電子顯微鏡圖片圖3所示，進(jìn)一步證實了石墨烯的薄層形貌。
【權(quán)利要求】
1.一種單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，按照以下步驟進(jìn)行: (1)在-5、°c下將石墨加入到有機(jī)溶液中配置石墨溶液，充分?jǐn)嚢?0mirT2h，通過超聲使溶劑分子插層到石墨的層間，得到可膨脹石墨溶液； (2)將可膨脹石墨使用氬氣進(jìn)行充分保護(hù)，在7(T80°C的溫度中充分加熱20mirTlh，得到膨脹石墨； (3)利用超聲分散的液相剝離法對膨脹石墨進(jìn)行剝離篩選，得到石墨烯溶液； (4)再經(jīng)過抽濾、洗滌、烘干，得到石墨烯固體粉末； (5)將石墨烯固體經(jīng)超聲分散在甲基環(huán)己烷溶液中，得到分散均勻的石墨烯甲基環(huán)己烷溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的有機(jī)溶液為十二烷基三苯基溴化膦或N-甲基吡咯烷酮中的一種或兩種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，所述的石墨為400~1000目的天然石墨粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的石墨溶液濃度為0.19Tl%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的超聲為在工作頻率45kHz，功率160W作用下，超聲30mirT2h。`
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的超聲分散的液相剝離法為在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對現(xiàn)有膨脹石墨溶液進(jìn)行超聲剝離30mirT2h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述的抽濾、洗滌、烘干為將石墨烯溶液進(jìn)行抽濾，得到的濾餅用2%稀鹽酸洗滌1飛次，抽濾的濾餅再用去離子水洗滌至中性，抽濾后，在60°C烘箱中烘干2~12h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單層石墨烯甲基環(huán)己烷溶液制備方法，其特征在于，步驟(5)中所述的將石墨烯固體經(jīng)超聲分散在甲基環(huán)己烷溶液中為將得到的單層石墨烯固體添加到甲基環(huán)己烷溶劑中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲30mirT2h，使石墨烯均勻分散在甲基環(huán)己烷溶液中。
【文檔編號】C01B31/04GK103723714SQ201310592612
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】王云峰, 李曉斐 申請人:鹽城納新天地新材料科技有限公司