[发明专利]一种高导电率石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米导电材料领域，具体涉及一种高导电率石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种新型的碳纳米材料。从2004年发现以来，石墨烯由于具有优良的电学、热学、光学和机械性能，以及广泛的应用前景而备受关注。在石墨烯的众多制备方法中，通过对氧化石墨烯进行还原制备石墨烯的方法(即氧化还原法)，已成为制备大批量、低成本石墨烯的最重要方法之一，对促进石墨烯的工业化具有重大意义。

目前，氧化还原法的主要研究集中在如何高效地去除氧化石墨烯表面的含氧基团(如羧基，羰基，环氧基和羟基等)，这也是获得高导电性石墨烯的关键之一。目前主要有两种方法，即用还原剂(如肼、二甲肼、硼氢化钠等)还原和热还原(高温淬火、溶剂热等)来制备高导电性石墨烯。在还原剂还原的方法中，Ruoff等以水合肼为还原剂在水中100℃反应24小时，将氧化石墨烯还原从而制备了石墨烯(Ruoff，et al.Carbon，2007，45，1558)，然而肼类还原剂为极毒性试剂，不利于应用，且反应时间较长，还会引入杂原子氮。总的来说，还原剂还原存在着反应时间长、高毒性、易引入杂元素、后续工艺长(因为要去除由于引入还原剂而新增的副产物)、还原效果仍不理想等缺陷。在热还原中，美国专利US 7658901采用了1050℃的高温将氧化石墨热还原，制备了高导电率的石墨烯；然而该制备方法的条件为高温，设备要求高。美国专利US 2010237296A1通过将氧化石墨膏体分散在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，在200℃下回流加热来还原氧化石墨烯；然而，有机溶剂NMP还原性不够，得到的产物电导率不高，而且NMP中的氮元素在高温下易分解出有毒且恶臭的气体。因此，寻找新型简单、有还原性、无毒害的溶剂，对溶剂热法制备高导电性石墨烯极为重要。

最近，陈永胜等(Carbon，2010，48，2361)在Hummer法的基础上进行调整得到有部分石墨片层未被氧化、剥离不充分的氧化石墨(X射线衍射检测出26°附近石墨本身的衍射峰)，通过旋涂制成薄膜后，以水合肼蒸汽进行化学还原或高温800℃进行热还原制得高导电率的薄膜。然而，由于得到的氧化石墨有部分片层未被氧化、剥离不充分，因此被还原之后只能得到纳米石墨片(X射线衍射检测出26°附近石墨本身的衍射峰)，且使用水合肼蒸汽或使用高温无疑不利于工业化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种简单高效、低成本、易于工业化的方法，制备得到本发明的高导电率石墨烯。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

本发明的高导电率石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

将低氧化程度的氧化石墨分散在含有芳香醇的溶剂中，得到低氧化程度的氧化石墨烯分散液，对该分散液进行溶剂热还原，制备得到高导电率石墨烯；其中，低氧化程度的氧化石墨中氧元素和碳元素的摩尔比例小于1∶2；该低氧化程度的氧化石墨的X射线衍射谱图中没有石墨的特征衍射峰。

本发明中通过控制氧化剂的用量等条件来获得低氧化程度的氧化石墨；其中，石墨粉、氧化剂硝酸盐和氧化剂高锰酸盐的所用质量比为100∶27.5～42.5∶165～255；其中，硝酸盐选自于硝酸钠或硝酸钾中的一种或几种；高锰酸盐选自于高锰酸钾或高锰酸钠中的一种或几种。该方法能保证所有石墨被氧化和剥离的同时(X射线衍射检测控制26°附近石墨本身的衍射峰消失)，降低石墨的氧化程度(光电子能谱XPS检测C/O比，降低氧化程度可以减少片层上的缺陷，并能减轻之后的还原负担，有利于制备高导电率的石墨烯)，获得低氧化程度的氧化石墨。

上述低氧化程度的氧化石墨优选通过以下方法制备：

将浓硫酸、石墨粉、硝酸盐、以及高锰酸盐在0～40℃反应0.2～5小时，之后加水在80～100℃反应5～30min；其中，石墨粉、浓硫酸、硝酸盐和高锰酸盐的用量比例为10g∶150～300ml∶2.75～4.25g∶16.5～25.5g。

所述低氧化程度的氧化石墨烯分散液可以通过以下方法制备：

将上述低氧化程度的氧化石墨用溶剂稀释或分散，经搅拌、超声、或搅拌与超声共同处理，得到低氧化程度的氧化石墨烯分散液。其中，溶剂必需为含有芳香醇的溶剂。所述含有芳香醇的溶剂为纯的芳香醇溶剂或芳香醇与其他组分复配而成的混合溶剂；其中，其他组分选自于水、或有机溶剂、或水与有机溶剂的混合溶剂；所述有机溶剂选自于N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、乙醇、乙二醇、甲醇、或氯仿中的一种或几种。