[发明专利]一种少层石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，尤其涉及一种少层石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是碳原子在二维平面上以sp²杂化形成的具有蜂巢晶格结构的单原子层晶体，少层石墨烯则是指层数在3～10层的石墨烯薄片。自2004年石墨烯首次被科学家成功制备出以来(Novoselov，K.S.et al.Science.2004，306，666)，这种新材料受到了科学家们的广泛关注。由于石墨烯是零带隙半导体，在其上运动的电子类似无质量的相对论粒子，因而石墨烯表现出超高(大于15000cm²/V·s)的电子迁移率(Morozov.S.V.et al.Phys.Rev.Let.2008，100，016602)，有望用于发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。同时，石墨烯是现在世界上已知的最薄也是最硬的材料(Lee，C.et al.Science.2008，321，385)，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到约2.9微牛，这一结果相当于施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。不仅如此，石墨烯也是目前已知的比表面积最大的材料(理论比表面积达2675m²/g)，因而有望在超级电容器及锂离子电池领域得到应用。另外，石墨烯在可见光波段是基本透明的(只吸收2.3％的光)(Nair，R.R.et al.Science.2008，320，1308)，因此它也适用于制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

然而，实现这些应用需要大规模、低成本制备石墨烯，而目前石墨烯的制备方法或多或少存在一些问题。例如最初成功制备出石墨烯的机械剥离法，即用胶带不断撕石墨薄片的方法，虽然能得到高质量的石墨烯，但是耗时低产，不易实现大规模制备。又如后来广泛使用的氧化石墨再还原的方法(Stankovich，S.Carbon.2007，45，1558-1565)，虽然能够低成本、大规模制备石墨烯，但是得到的石墨烯含有大量的含氧基团和缺陷，其导电性能较低。化学气相沉积技术的使用(Li，X. S.et al.Science.2009，324，1312-1314)一度给大规模制备高质量的石墨烯带来曙光，然而该方法需要将石墨烯从基底上转移下来的过程，该过程相当麻烦且不易操作，因而抑制了其大规模的工业化应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述石墨烯制备技术中的不足，提供一种少层石墨烯的制备方法，该方法操作简单、耗时少、成本低、石墨烯产率高、易于实现工业化大规模生产，利用该方法制备得到的石墨烯具有缺陷少、含氧基团少、电导率高的优点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种少层石墨烯的制备方法，采用液相插层结合微波辐照技术，具体包括以下步骤：

步骤1、液相插层：将适量石墨颗粒加入到含有四烷基取代季胺盐、水溶性无机碱和稳定剂的水溶液中，或者加入到含四烷基氢氧化铵和稳定剂的水溶液中，搅拌均匀后，将该悬浊液放置在超声器中超声处理，使四烷基取代季胺阳离子插入到石墨层间，形成石墨插层化合物，引起石墨层间距增大；然后过滤该悬浊液，将滤渣用去离子水和乙醇洗涤、干燥；

步骤2、微波辐照：将步骤1得到的滤渣放置在微波设备中进行微波辐照，使石墨插层物质发生分解，产生大量气体，进一步增大石墨层间距；然后，将微波辐照产物分散在低极性有机溶剂中，在超声器中进行超声处理，使石墨发生剥离产生石墨烯；接着，将超声处理产物放置在离心管中离心处理以沉淀未剥离完全的石墨，上层液体即为石墨烯分散液；最后，采用微孔滤膜过滤该石墨烯分散液并干燥，或者采用冷冻干燥技术处理该石墨烯分散液，即得到少层石墨烯。

上述技术方案中：

所述的步骤1中，四烷基取代季胺盐与四烷基氢氧化铵中包含四烷基取代季胺阳离子，该四烷基取代季胺阳离子中的烷基包括但不限于甲基、乙基、丙基、丁基、戊基中的一种或几种的任意组合。所述的四烷基取代季胺盐中的阴离子包括但不限于卤素离子、三氟硼酸离子、全氟辛基磺酸离子中的任意一种，其中所述的卤素离子包括但不限于氟离子、氯离子、溴离子等中的任意一种。

所述的步骤1中，水溶性无机碱是指在水中可以电离出OH^-的无机碱，包括但不限于NH₃·H₂O、KOH、NaOH、LiOH中的一种或几种的组合。

所述的步骤1中，稳定剂包括但不限于卟啉、十二烷基磺酸钠、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯乙炔、芘、硫堇、曲拉通X-100、DNA，L-精氨酸等中的一种或几种的组合。