[发明专利]微波消解制备大比表面积石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法，特别是涉及一种利用微波消解制备大比表面积石墨烯的方法。

背景技术

自2004年英国曼彻斯特大学的A.K.Geim小组首次用机械剥离石墨的方法制备出石墨烯以来，石墨烯作为一种新型的二维纳米碳质材料，因其具有独特的结构和性能，备受人们的关注。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六方点阵蜂窝状二维结构材料，单层厚度为0.35nm，C-C键长为0.142nm，是构成富勒烯、碳纳米管及石墨的基本单元，具有优异的导电、导热、力学和电化学等性能。单原子层石墨烯材料理论比表面积高达2630m²/g，半导体本征电子迁移率约为2×10⁵cm²/V·s，电阻率约为10^-6Ω·cm，热传导率为高达5000W/m·K，杨氏模量为1100GPa，断裂强度为125GPa，透光率高达97.7%。基于上述特性，石墨烯在电子、信息、能源、生物、医学等领域具有非常广阔的应用前景。

国内外石墨烯的主要制备方法有微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法、液相剥离法等。这些方法具有许多自身的制备优点，然而也存在一定的缺陷。微机械剥离法制得的石墨烯质量高，适用于研究石墨烯的电学性质，但该方法很难得到较大面积的石墨烯材料；外延生长法制备条件苛刻，均要求在高温、高真空或某种特定气氛及单晶衬底等条件下进行，且制得的石墨烯不易从衬底上分离出来，基本不能成为大规模制备石墨烯的适用方法；化学气相沉积法在制备过程中会有杂质生成，且该方法对设备及外围设施依赖性较强；液相剥离法制得的产物是胶状石墨烯悬浮液，这种液体产物在某种程度上限制了石墨烯的应用，而且该方法制备得到的单层石墨烯量较少，成本较高。氧化还原法是目前较为常见的低成本、高效地制备大面积薄层石墨烯材料的方法。该方法将高纯天然石墨通过氧化技术进行氧化，得到基本分子结构为C六边形且表面及边缘存在大量的羟基、羧基、环氧等基团的氧化石墨烯，将氧化石墨烯水洗至中性，再通过还原的方法去除其分子结构上的含氧基团，最后得到石墨烯材料的方法。高纯石墨原料的使用增加石墨烯的制备成本，胶体状氧化石墨烯水洗至中性十分困难，化学液相还原法应用最为广泛，然而还原剂大部分有毒性，使得整个还原过程存在危险和不稳定性。

发明内容

针对现有石墨烯制备方法存在的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种以石墨为原料，在酸性条件下进行氧化石墨烯还原制备石墨烯的方法。该制备方法操作简单，氧化石墨烯溶液无需水洗至中性，在氧化石墨烯还原过程中无需添加任何辅助化学试剂，反应时间短，还原效率高，无环境污染，制备的石墨烯纯度高，比表面积大。

为达上述目的，本发明一种微波消解制备大比表面积石墨烯的方法，包括以下步骤：

（1）以膨胀石墨为原料制备浓度为0.5-4mg/mL的氧化石墨酸性溶液，将该氧化石墨酸性溶液进行超声处理得到氧化石墨烯酸性溶液；

（2）将超声后的氧化石墨烯酸性溶液加入到微波加热密闭容器中，采用高温增压方法进行氧化石墨烯的微波消解法还原；

（3）将还原得到的黑色粉末进行水洗、干燥，得到单层大片的石墨烯。

进一步地，本发明的方法，其中优选所述膨胀石墨的纯度为75-99%，粒度为5-600μm。石墨原料纯度越高越好，但高纯石墨原料的成本较高。现有制备石墨烯的方法一般要求原料为高纯石墨，本发明方法不限于高纯石墨原料，对于非高纯石墨原料也非常适用。

本发明的方法，其中优选所述步骤（1）中氧化石墨酸性溶液为氧化石墨的盐酸溶液、稀硫酸溶液或稀硝酸溶液。对酸性溶液的浓度没有要求，优选其pH值为4-6.5。

本发明的方法，其中优选所述步骤（1）中氧化石墨酸性溶液的浓度为1-3mg/mL，浓度太低，还原效率较低，浓度太高，石墨烯的可剥离度较差。本发明经过长期试验证明，当浓度为1-3mg/mL时，得到的石墨烯纯度较高，比表面积较大。

本发明所述的膨胀石墨是以鳞片石墨原料制备得到的，该制备方法为本领域常规方法。如在鳞片石墨原料中加入浓硫酸，置于冰水浴中搅拌，缓慢加入强氧化剂（如高锰酸钾），搅拌均匀后置于40℃水浴中反应一段时间，离心、水洗至中性，干燥后得到可膨胀石墨。将可膨胀石墨经过高温处理，得到膨胀石墨。