[发明专利]一种可批量化制备少层石墨烯粉体的方法

说明书

（一）        技术领域

本发明属于能源领域微、纳米材料制备技术，特别涉及一种可批量化制备少层石墨烯粉体的方法。

（二）        背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格排列构成的单层平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，是构建其它维度碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨）的基本单元。石墨烯具有优异的物理化学性能，已逐渐用于透明导电薄膜、纳米电子器件（晶体管，晶体管电路互联内存半导体）、导电墨水、太阳能电池、锂电池、超级电容器、传感器和生物医药等领域。

当前有可能实现大规模生产石墨烯粉体的方法之一是采用Hummers法（Preparation of grapHitic oxide, Journal of the American Chemical Society, 80, 1339）与溶液还原相结合的方法：首先，将石墨进行控温插层氧化处理，得氧化石墨，再超声剥离得氧化石墨烯，然后用水合肼、硼氢化钠等还原剂还原处理得石墨烯。通常，为了获得较好的还原效果而加大还原剂的用量，为了快速获得大量的石墨烯而增大氧化石墨烯还原时的浓度，从而导致生产的石墨烯团聚严重，还原效果反而变差。因此，迫切需要开发一种可大量、容易操作、低成本且能防止石墨烯团聚的方法来制备高质量的石墨烯粉体。

（三）        发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种简易的、快速的、可批量化制备少层（10层以下）石墨烯粉体的方法，解决现有技术中存在的制备过程中石墨烯易团聚、导电性差等问题。

本发明是通过如下技术方案实现的： 

一种可批量化制备少层石墨烯粉体的方法，其特殊之处在于：用各种电解质作石墨烯胶体溶液的凝絮漂浮试剂，使石墨烯快速漂浮于溶液上方，制备石墨烯粉体。

本发明的可批量化制备少层石墨烯粉体的方法，包括以下步骤：

（1）氧化石墨烯：冰浴条件下，天然石墨与硝酸钠混合，依次加入浓硫酸、高锰酸钾反应，反应之后加去离子水，在90-100℃保持20-30分钟，然后加入双氧水和去离子水，得亮黄色氧化石墨溶液；之后，采用酸洗和水洗交替离心洗涤，pH=5-6，得纯净的氧化石墨溶液；最后，超声处理氧化石墨，配制出一定浓度的氧化石墨烯溶液；

（2）水合肼还原：向氧化石墨烯溶液中加入去离子水，在搅拌下加入水合肼，然后加入氨水，溶液pH=9-10，升温至95℃保温，得石墨烯胶体溶液；

（3）凝絮漂浮抽滤：以电解质溶液为凝絮漂浮剂，将石墨烯胶体溶液与电解质溶液混合，室温静置，水洗冷冻干燥得水合肼还原的石墨烯粉体；

（4）热还原处理：将干燥好的水合肼还原的石墨烯放入管式炉中，在氮气保护下，以2-10℃/分钟的升温速率升温，在1000-1050℃保温2分钟-3小时，冷却至室温，之后，研磨，并用有机溶剂超声分散，50-60℃烘干得石墨烯粉末。

本发明的可批量化制备少层石墨烯粉体的方法，包括以下步骤：

（1）氧化石墨烯：冰浴条件下，50-100g 天然石墨与25-50g硝酸钠混合，加入1.15-2.3L浓硫酸，再加入150-300g高锰酸钾，反应1-2小时，升温至35℃反应30-50分钟，之后加去离子水0.75-1.5L，在90-100℃保持20-30分钟，然后加入0.15-0.3L双氧水和7-15L去离子水，得亮黄色氧化石墨溶液；之后，采用酸洗和水洗交替离心洗涤，pH=5-6，得纯净的氧化石墨溶液；最后，超声处理氧化石墨，配制出一定浓度的氧化石墨烯溶液；

（2）水合肼还原：向2L 0.5mg/mL的氧化石墨烯溶液中加入2L去离子水，在搅拌下加入1.4 mL质量分数50%的水合肼，再加入7mL质量分数28%的氨水，溶液PH=9-10，升温至95℃保温1小时，得石墨烯胶体溶液；

（3）凝絮漂浮抽滤：以电解质溶液为凝絮漂浮剂，将石墨烯胶体溶液与电解质溶液混合，其中石墨烯胶体溶液与电解质溶液的体积比1:2，室温静置0.5-2小时，石墨烯慢慢聚集，漂浮在溶液上方，水洗冷冻干燥得水合肼还原的石墨烯粉体；

（4）热还原处理：将干燥好的水合肼还原的石墨烯放入管式炉中，在氮气保护下，以2-10℃/分钟的升温速率升温，在1000-1050℃保温2分钟-3小时，冷却至室温，之后，研磨，并用有机溶剂超声分散，50-60℃烘干得石墨烯粉末。