[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，属于无机非金属材料粉体制备领域。具体的讲，本发明涉及一种采用天然石墨为原料经一步超声处理制备由n原子层石墨烯组成的混合产品(1≤n≤5)的方法。

背景技术

自2004年被英国科学家发现以来，石墨烯(Graphene)由于结构独特、性能优异、理论研究价值高、应用前景广阔而成为近年来材料研究领域中的热点之一。石墨烯具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，使它具有优异的电学、力学、热学和光学等特性，例如石墨烯具有100倍于硅的超高载流子迁移率、高达130GPa的强度、很好的柔韧性和近20％的伸展率、超高热导率、高达2600m²/g的比表面积，并且几近透明，在很宽的波段内光吸收只有2.3％。这些优异的物理性质使石墨烯在射频晶体管、超灵敏传感器、柔性透明导电薄膜、超强和高导复合材料、高性能锂离子电池和超级电容器等方面展现出巨大的应用潜力。

高质量单层石墨烯和多层石墨烯的大量制备对综合利用石墨烯众多的优异性质、实现其宏量应用具有极其重要的意义。自2004年以来，科学家们已发展出多种制备石墨烯的方法，包括机械剥离法(K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，D.Jiang，Y.Zhang，S.V.Dubonos，I.V.Grigorieva and A.A.Firsov，Science，2004，306，666.)、SiC或金属单晶表面外延生长法(C.Berger，Z.M.Song，X.B.Li，X.S.Wu，N.Brown et al，Science 2006，312，1191)、化学气相沉积法(CVD)(X.S.Li，W.W.Cai，J.H.An，S.Kim，J.Nah，D.X.Yang，R.Piner，A.Velamakanni，I.Jung，E.Tutuc，S.K.Banerjee，L.Colombo，R.S.Ruoff，Science，2009，324，1312；中国发明专利CN100551822C)、化学氧化剥离法(S.Park，R.S.Ruoff，Nature Nanotechnology2009，4，217；中国发明专利CN 101613098A)、插层剥离法(C.E.Hamilton，J.R.Lomeda，Z.Sun，J.M.Tour，A.R.Barron，Nano Lett.，2009，9(10)，3460)。前三种方法因产率低、制备条件苛刻而难应用于石墨烯的规模化生产中。化学氧化还原法是目前认为最有潜力实现规模化制备的方法，但是由于该方法中氧化过程破坏了石墨烯的结构，而在还原过程中并不能完全修复其结构，致使制备的石墨烯各种优异性能并不能完全体现，同时氧化过程中存在产生废水问题。已经报道的插层剥离法虽然没有破坏石墨原料中的石墨烯层结构，但是普遍存在产率低、耗时长等缺点，如何有效提高插层剥离方法的效率是一个尚需解决的难题。本发明公开了一种插层剥离的新体系可以显著提高由石墨制备石墨烯的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯的超声插层剥离制备方法，其特征在于将天然鳞片石墨微粉或电化学活化处理天然鳞片石墨微粉加入到溶解有碱金属化合物的有机溶剂中进行超声分散处理，可以高效率的得到由n原子层石墨烯组成的混合产品(1≤n≤5)。

本发明中的制备石墨烯的具体过程为：将一定粒度的天然鳞片石墨粉末，纯度为99-100％，加入到溶有碱金属化合物的有机溶剂中在20-100℃范围内进行超声处理8-50小时，超声波频率≥10KHz，然后过滤或离心分离，洗涤、真空干燥得到由n原子层石墨烯组成的混合产品(1≤n≤5)。

原料天然鳞片石墨粉末的粒度范围为其中位粒径(D50)在1-300微米，优选在1-200微米，较小的粒度可以更利于离子和溶剂插层到石墨层中从而提高剥离效率，但是大面积的石墨烯具有广泛用途，因此在效率与产品质量之间需根据实际需求调整。

超声剥离过程中所用的碱金属化合物为锂、钠、钾的氢氧化物，氯化物、溴化物、硝酸盐、硫酸盐以及LiBF₄、LiClO₄、LiPF₆的至少一种。

所使用的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃(THF)、碳酸丙烯酯(PC)、二甲基亚砜中(DMSO)的至少一种。