[发明专利]石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，具体涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的一种新型碳材料，其是构件其他维度碳质材料，如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨等的基本单元。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：1，高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，断裂强度：(125GPa)；2，高热导率，(5,000W/mK)；3，高导电性、载流子传输率，(200,000cm²/V*s)；4，高的比表面积，(理论计算值：2,630m²/g)。尤其是其高导电性质，大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。

到目前为止，所知道的制备石墨烯的方法有多种，如：(1)微机械剥离法。这种方法只能产生数量极为有限石墨烯片，可作为基础研究；(2)超高真空石墨烯外延生长法。这种方法的高成本以及小圆片的结构限制了其应用；(3)化学气相沉积法(CVD)。此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。(4)溶剂剥离法。此方法缺点是产率很低,限制它的商业应用；(5)氧化-还原法。此方法是最简单可大量获得石墨烯的一种普遍方法，比较常用的还原方法是化学还原(水合肼、乙二胺、硼氢化钠等做还原剂)和快速热还原，但是各种方法还原后，石墨烯都会存在一个团聚的过程，造成石墨烯的比表面积偏小，一般小于900m²/g。

发明内容

为解决上述技术存在的问题，本发明提出一种石墨烯的制备方法，该方法不使用有毒原料，环保性较高，且不会引入其他官能团影响石墨烯的电学性能，并且制备得到的石墨烯的比表面积较高。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在超声波振荡的条件下将氧化石墨分散于水中，得到氧化石墨烯的悬浮液；

2)向所述悬浮液中依次加入质量比为1:(6～12)的铝和碱，反应后得到混合液；

3)将所述混合液过滤，然后用酸和水进行洗涤，干燥，得到石墨烯；

其中，步骤2)所述碱为氢氧化钠或者氢氧化钾。

进一步，所述氢氧化钠或氢氧化钾与氧化石墨的质量比为(10～25)：1。

进一步，所述步骤2)的反应时间为6h～15h，反应温度为120℃～180℃。

进一步，所述悬浮液的氧化石墨的浓度为2g/L～18g/L。

本发明提供一种石墨烯的制备方法，其是先将氧化石墨分散于水中得到氧化石墨胶体，然后以铝为还原剂，在碱性条件下还原氧化石墨制得。本发明使用铝作为还原剂，铝对氧化石墨具有较好的还原性能，且其廉价无毒，不会损害操作人员的身体健康，环保性能较高，以铝作为还原剂还不会引入其他官能团，有利于保持石墨烯良好的电学性能。本发明方法可以制备出高比表面积石墨烯，比表面积达到1100～2000m²/g。

碱性条件下还原氧化石墨的优点在于：还原程度较高，且便于对石墨烯进行修饰。在碱性条件下，氧化石墨更容易剥离得到稳定的带负电的胶体，可与带正电的片状分子进行静电组装，而这种分子层次的组装比现有的物理混合效果好。因此，采用上述方法通过在还原反应过程中引入客体分子而实现一步制备出修饰效果优异的石墨烯。

引入的客体分子是在碱性条件下稳定存在的，且能与氧化石墨表面的-OH、-O-、-COOH等反应的化合物，可以为：金属氧化物，如Fe₃O₄磁性纳米粒子、ZnO或TiO₂等；生物小分子，如寡核苷酸等；有机小分子，如吡啶等；层状化合物，如层状双金属氢氧化物等。若客体分子为金属氧化物或氢氧化物，在高温真空煅烧还原后得到金属氧化物与石墨烯的复合材料。此外，在碱性条件下且在120℃～180℃的温度范围，铝的还原性得到极大的增强，制备石墨烯纯度较高。

具体实施方式

实施例1

1)在超声波振荡的条件下将氧化石墨分散于水中，形成浓度为2g/L的氧化石墨烯的悬浮液；

2)向0.3L所述悬浮液中依次加入1g铝和6g氢氧化钾，反应温度为120℃，反应时间为6h，得到混合液；

3)将所述混合液过滤，然后用体积分数为5％的稀盐酸和水进行洗涤，干燥，得到石墨烯；

将得到的石墨烯通过BET测试得到的比表面积为1123m²/g。