[发明专利]一种石墨烯材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料合成领域，尤其是一种石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，并获得2010年物理诺贝尔奖。由于其独特的结构和良好的光电性质，石墨烯目前已成为碳材料、纳米技术和功能材料等领域的研究热点之一。目前制备石墨烯材料的方法主要是氧化还原法，但在制备过程中，石墨烯的片层结构极易被破坏，石墨烯间团聚，严重影响了其导电、导热性能。如何克服上述技术缺陷，开发新的石墨烯制备方法，已经成为当前石墨烯领域的研究热点之一。

离子液体是指全部由离子组成的液体，是一种环境友好型的溶剂，对无机物、有机物及聚合物均具备良好的溶解性或分散性，被称为“绿色溶剂”。近年来，有研究（如专利201210249137.1、201210135363.7）将石墨粉或碳纳米管悬浮于离子液体中，然后进行搅拌或超声或挤出，从而制得分散性好的石墨烯材料，但由于石墨粉或碳纳米管结构较为紧凑，剥离难，采用这类方法制得的石墨烯单层率低，石墨烯的性能受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种石墨烯材料的制备方法，该方法将氯化物插层石墨置于离子液体中在交变电场的作用下剥离，从而在不破坏石墨烯的结构的前提下，制得单层率高，分散性好的石墨烯材料。

一方面，本发明提供了一种石墨烯材料的制备方法，包括如下步骤：

取氯化物插层石墨，按固液比1g：10~100mL的比例加入到离子液体中，搅拌均匀后放入交变电场中，以10～1000Hz的交变频率，50～5000V/m的电场强度剥离10～300分钟，得到石墨烯悬浮液；

过滤所述石墨烯悬浮液，取滤渣用有机溶剂洗涤过滤3～5次，再用去离子水反复冲洗和过滤直至洗出液无氯离子，干燥滤物，得到石墨烯材料。

优选地，所述氯化物插层石墨采用如下步骤制得：取石墨和氯化物插层剂按质量比1：0.8～1.2进行混合，置于密闭的容器中以460～550℃热处理2～6小时，反应结束后冷却至室温，经清洗干燥后得到氯化物插层石墨。

更优选地，所述石墨为天然磷片石墨、人造石墨和膨胀石墨中的一种。

更优选地，所述氯化物插层剂为氯化铁、氯化镍、氯化铜、氯化钴、氯化钾、氯化镁、氯化铅、氯化锌、氯化钙和氯化钡中的至少一种。

更优选地，所述清洗干燥的操作为：将反应物倒入去离子水中，滤取滤渣置于真空干燥箱中于80～100℃干燥4～6小时。

离子液体对石墨烯具有很好的分散性，可以防止石墨烯制备过滤中片层石墨的团聚。优选地，所述离子液体为室温下呈液态的室温离子液体。更优选地，所述室温离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酰碳、1-乙基-3-甲基咪唑五氟乙酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑二氰化氮、1-乙基-3,5-二甲基咪三氟甲磺酰亚胺、1,3-二乙基-4-甲基咪三氟甲磺酰亚胺和1,3-二乙基-5-甲基咪三氟甲磺酰亚胺中的至少一种。

优选地，所述交变电场剥离过程中，交变频率为50～100Hz，电场强度为50～500V/m。

其中，所述有机溶剂为可溶解离子液体的有机溶剂。优选地，所述有机溶剂为N，N-二甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基甲酰胺。

其中，用去离子水冲洗过滤的目的在于除去滤物中的金属离子和氯离子，所述洗出液中的氯离子可用AgNO₃进行检测。

氯化物插层石墨，石墨层间夹杂着氯化物，石墨层间的间距较大，易于剥离；在交变电场作用下，氯化物受到电场力的作用而产生剥离力，将石墨层层剥离，剥离后分散于离子液体中，不易团聚，从而得到片层结构完整、单层率高，分散性好的石墨烯材料；掺杂在石墨烯材料中的离子液体和氯化物可通过后续有机溶剂和去离子水洗涤过滤而除去，从而得到高纯度的石墨烯材料。本发明制备方法制备效率高，剥离效果好，主要集中在1～10层，单层率高达75%以上，原料来源广，成本低，适合工业化生产。

另一方面，本发明还提供了一种石墨烯材料，所述石墨烯材料是由上述制备方法制得的。

本发明所述石墨烯材料片层结构完整、单层率高，分散性好，适于用于制备电化学电容器的电极，可提高化学电源能量密度与功率密度。

相比于现有技术，本发明所述石墨烯材料及其制备方法具有以下有益效果：