[发明专利]制备石墨烯的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，在石墨粉中分别加入氯磺酸和浓硫酸以及双氧水，剥离后，经分离制备高质量石墨烯。

背景技术

从2004年被发现以来，石墨烯作为一种新型碳材料备受关注。它是一种厚度仅为单原子层或数个单原子层的二维晶体材料，具有高透光性和导电性、高比表面积、高强度及柔韧性等优异的性能，可望在高性能纳电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域获得广泛应用。但是，高质量石墨烯的低成本、大量制备仍面临困境，制约了该材料的发展与应用。

目前，大量石墨烯的制备主要是基于Hummers法，将石墨进行氧化处理，得到氧化石墨后，再进行剥离得到氧化石墨烯，最后经过还原处理得到石墨烯。但是氧化过程会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在差距。此外，石墨的氧化过程通常需要大量强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、重铬酸钾及高锰酸钾、硝酸钠等；而还原过程又要高温处理及使用硼氢化钠等化学物质，总体来看能耗大、成本高、过程操作危险性较高而且环境污染严重。

新加坡王军中等通过电化学方法高产率制备了少层石墨烯，但该方法必须使用电化学装置，且电极处理过程复杂，所以也不具备大规模生产的可能性。其他方法，诸如机械剥离法及CVD法也存在质量不稳定、难以规模化、成本高昂等问题。

2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔奖后，石墨烯研究和开发速度呈现爆炸性增长，业界对石墨烯的需求也越来越多，在实验室中制备的产量已不能满足在应用领域的需求。因此，需要开发一种可规模化、低成本且环境友好的制备高质量石墨烯的新方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种制备的石墨烯方法，所得石墨烯具有分散、少层、高质量的优点，同时减少了污染，对环境友好。

本发明以石墨粉或膨胀石墨为原料，剥离剂选择氯磺酸和浓硫酸以及过氧化氢，通过搅拌使氯磺酸和浓硫酸及石墨粉按质量比(30∶1-400∶1)均匀混合，然后将过氧化氢加入到上述溶液中，通过分离、干燥得到高质量的石墨烯片，所得石墨烯具有优异的电催化性能。该方法并同时减少了污染，对环境友好。

附图说明

图1为，所得到的石墨烯用扫描电镜和透射电镜观察。

图2为是石墨粉(黑色)和石墨烯片(灰色)的拉曼光谱图(a)；X射线衍射图，b)X射线光电能谱图

具体实施方式

下述实施例用于进一步说明但不限于本发明，本领域技术人员可以根据本发明公开的内容和所掌握的本领域技术对本发明内容，作出替换或变型，其替换或变型均在本发明要求保护的权利范围内。

实施例1：

将三口瓶中，依次加入1g石墨粉或膨胀石墨，20mL-100ml氯磺酸，10ml-50ml浓硫酸。搅拌15分钟，向混合液中缓慢加入30％的过氧化氢水溶液15-50ml，控制加入速度，并对瓶外降温处理。过程中上述混合物体积急剧膨胀，以至难以搅动。加毕，降温20分钟，用水稀释，洗涤至中性并分离所得黑色物质即得石墨烯。

实施例2：

方法同实施例1，反应结束后，加入能与水混溶的，与总酸用量0.5-3倍体积份的有机溶剂，诸如：N，N-二甲基甲酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲亚矾，二氧六环，丙酮，丙醇，乙醇，甲醇的一种或数种。然后，将所得混合液超声处理20分钟，然后再用水洗至中性，分离所得黑色物质即得石墨烯，所得石墨烯较少如实施例1中所得石墨烯有部分团聚现象，显得更为蓬松。

实施例3：

方法同实施例1，反应结束后，加入石墨粉1％-30％质量份的表面活性剂，诸如：十二烷基磺酸钠，十六烷基苯磺酸钠，吐温，四丁基溴化铵，四丁基硫酸氢铵等的一种或数种。然后，将所得混合液超声处理20分钟，然后再用水洗至中性，分离所得黑色物质即得石墨烯，所得石墨烯较少如实施例1中所得石墨烯有部分团聚现象，显得更为蓬松，和实施例2更为接近。

实施例4：

将实施例1-3方法制备的石墨烯，按照实施例1-3重复操作，可以制备单层更多的石墨烯。具体步骤如下，样品石墨烯再次分散于氯磺酸与硫酸的混合液中，照实施例1描述，加入双氧水。按照实施例2或3后处理，所得石墨烯全为3层以下的薄层，且单层含量较高。