一種制備石墨烯的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于碳材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種基于液相剝離法及水熱法的制備石墨烯的方法。一種制備石墨烯的方法，包括如下步驟：將石墨粉末和水加入反應(yīng)釜中；密閉后進(jìn)行攪拌并加熱，加熱至反應(yīng)溫度后恒溫持續(xù)攪拌反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后冷卻，將反應(yīng)釜內(nèi)的混合溶液取出進(jìn)行離心分離，下層固體為未反應(yīng)完的石墨粉末，上層液體即為石墨烯分散液；取石墨烯分散液進(jìn)行離心分離，所得固體物即為石墨烯。本發(fā)明采用水作為溶劑，克服了采用有機溶劑沸點高、有毒性且難去除或者漢森溶解度參數(shù)不滿足石墨烯溶解度參數(shù)導(dǎo)致分散液的濃度較低的不足；制備的石墨烯產(chǎn)率高，缺陷極少，含氧量極低，保持了石墨原有的電學(xué)性質(zhì)。
【專利說明】—種制備石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種制備石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機械性能，制備高質(zhì)量的石墨烯對石墨烯的應(yīng)用至關(guān)重要。目前制備石墨烯的方法很多，主要包括機械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、碳化硅外延生長法。機械剝離法制備石墨烯的質(zhì)量最好，但偶然性很大，對層數(shù)控制較為困難；化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯質(zhì)量較高，但制得的石墨烯的電子性質(zhì)受襯底影響很大，而且性能不如機械剝離法制得的石墨烯；氧化還原法可以得到大量單層石墨烯，然而被氧化的石墨難以完全還原，導(dǎo)致石墨烯某些性質(zhì)的不足；碳化硅外延生長法制得的石墨烯難以從碳化硅襯底上分離開來，不能成為大量制造石墨烯的方法。
[0003]自2008年Coleman課題組采用液相剝離石墨的方法來制備石墨烯以來，液相剝離法取得了較大的發(fā)展，不僅用于制備石墨烯而且還用于制備其它的二維納米材料(如二硫化鑰、氮化硼等)。與氧化還原法相比，液相剝離法直接剝離石墨獲得了高質(zhì)量非氧化的單原子層石墨烯，避免了氧化還原法未徹底還原而導(dǎo)致石墨烯大量結(jié)構(gòu)缺陷。這種方法可以被用來生產(chǎn)基于石墨烯的復(fù)合材料和薄膜，以及其它許多應(yīng)用，例如薄膜晶體管、透明導(dǎo)電電極等等。但是，現(xiàn)有的液相剝離法存在有機溶劑沸點高、有毒性并且難去除或者與石墨烯的漢森溶解度參數(shù)不匹配無法實現(xiàn)剝離的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于液相剝離法及水熱法的制備高品質(zhì)石墨烯的方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):`[0006]一種制備石墨烯的方法，包括如下步驟:
[0007](I)將石墨粉末和水加入反應(yīng)釜中；
[0008](2)密閉反應(yīng)釜后進(jìn)行攪拌并加熱，加熱至反應(yīng)溫度后恒溫持續(xù)攪拌反應(yīng)；
[0009](3)反應(yīng)結(jié)束后冷卻，待冷卻后將反應(yīng)釜內(nèi)的混合溶液取出進(jìn)行離心分離，離心后下層固體為未反應(yīng)完的石墨粉末，上層液體即為石墨烯分散液；
[0010](4)取步驟(3)所述的石墨烯分散液進(jìn)行高速離心分離，分離所得固體物即為石墨稀。
[0011 ] 優(yōu)選的，步驟(1)所述石墨粉末為天然鱗片石墨、高定向熱解石墨或膨脹石墨中的任意一種制成的石墨粉末，所述石墨粉末的尺寸為10~500微米。
[0012]優(yōu)選的，步驟(2)所述攪拌反應(yīng)的攪拌速率為500~1500rpm，反應(yīng)溫度為180~300 °C，反應(yīng)時間為180~360分鐘。
[0013]優(yōu)選的，步驟(3)所述離心分離的轉(zhuǎn)速為500~lOOOOrpm，離心時間為30~90分鐘。[0014]優(yōu)選的，步驟(4)所述高速離心分離的轉(zhuǎn)速為500~lOOOOrpm,離心時間為5~90分鐘。
[0015]優(yōu)選的，步驟(1)所述將石墨粉末和水加入反應(yīng)釜中的同時加入表面活性劑和/或插層劑。
[0016]優(yōu)選的，所述石墨粉末與所述表面活性劑的質(zhì)量比為1: (O~2);所述石墨粉末與所述插層劑的質(zhì)量比為1: (O~2)。
[0017]優(yōu)選的，所述表面活性劑為十二烷基磺酸鈉、十六烷基苯磺酸鈉、聚乙二醇辛基苯基醚、聚苯乙烯、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯胺、聚胺基苯磺酸鈉、聚吡咯、聚噻吩、聚乙撐二氧噻吩、丁內(nèi)酯、正丙醇或異丙醇中的一種以上；所述插層劑為堿金屬、堿土金屬、過渡金屬、鹵素單質(zhì)、鹵素互化物或過渡金屬氯化物中的一種以上。
[0018]優(yōu)選的，所述插層劑為K、Rb、Cs、Ba、Ca、Mn、Fe、Co、N1、fc2、ICl、IBr、MnCl2、CoCl2、FeCl2、FeCl3、CuCl2 或 NiCl2 中的一種以上。
[0019]優(yōu)選的，所述步驟(4)之前還包括將步驟(3)所述未反應(yīng)完的石墨粉末重復(fù)進(jìn)行步驟⑴至步驟⑶的步驟。
[0020]本發(fā)明的原理:
[0021]液相剝離石墨制備石墨烯，溶劑的選擇主要考慮石墨烯在該種溶劑中的剝離和分散濃度最高，根據(jù)溶解原則，溶劑分子必須克服和瓦解溶質(zhì)分子相互間作用力，滲入溶質(zhì)分子之間和周圍，同時溶劑本身分子之間的聯(lián)系，也要溶質(zhì)分子滲入和瓦解，因此溶劑分子間、溶質(zhì)分子間以及溶劑與溶質(zhì)之間的作用力必須大致相等，此時溶解度最高。由混合焓理
論:
【權(quán)利要求】
1.一種制備石墨烯的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將石墨粉末和水加入反應(yīng)釜中； (2)密閉反應(yīng)釜后進(jìn)行攪拌并加熱，加熱至反應(yīng)溫度后恒溫持續(xù)攪拌反應(yīng)； (3)反應(yīng)結(jié)束后冷卻，待冷卻后將反應(yīng)釜內(nèi)的混合溶液取出進(jìn)行離心分離，離心后下層固體為未反應(yīng)完的石墨粉末，上層液體即為石墨烯分散液； (4)取步驟(3)所述的石墨烯分散液進(jìn)行高速離心分離，分離所得固體物即為石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:步驟(1)所述石墨粉末為天然鱗片石墨、高定向熱解石墨或膨脹石墨中的任意一種制成的石墨粉末，所述石墨粉末的尺寸為10~500微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:步驟(2)所述攪拌反應(yīng)的攪拌速率為500~1500rpm，反應(yīng)溫度為180~300°C，反應(yīng)時間為180~360分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:步驟(3)所述離心分離的轉(zhuǎn)速為500~lOOOOrpm，離心時間為30~90分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:步驟(4)所述高速離心分離的轉(zhuǎn)速為500~lOOOOrpm，離心時間為5~90分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:步驟(1)所述將石墨粉末和水加入反應(yīng)釜中的同時加入表面活性劑和/或插層劑。`
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:所述石墨粉末與所述表面活性劑的質(zhì)量比為1: (O~2);所述石墨粉末與所述插層劑的質(zhì)量比為1: (O~2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:所述表面活性劑為十二烷基磺酸鈉、十六烷基苯磺酸鈉、聚乙二醇辛基苯基醚、聚苯乙烯、聚苯乙烯磺酸鈉、聚苯胺、聚胺基苯磺酸鈉、聚吡咯、聚噻吩、聚乙撐二氧噻吩、丁內(nèi)酯、正丙醇或異丙醇中的一種以上；所述插層劑為堿金屬、堿土金屬、過渡金屬、鹵素單質(zhì)、鹵素互化物或過渡金屬氯化物中的一種以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:所述插層劑為K、Rb、Cs、Ba、Ca、Mn、Fe、Co、N1、Br2、IC1、IBr、MnCl2、CoCl2、FeCl2、FeCl3、CuCl2 或 NiCl2 中的一種以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的一種制備石墨烯的方法，其特征在于:所述步驟(4)之前還包括將步驟(3)所述未反應(yīng)完的石墨粉末重復(fù)進(jìn)行步驟(1)至步驟(3)的步驟。
【文檔編號】C01B31/04GK103771402SQ201310747304
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】劉應(yīng)亮, 劉向榮, 鄭明濤, 肖勇, 雷炳富, 董漢武, 張浩然 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)