[发明专利]一种高质量石墨烯的宏量制备方法

说明书

技术领域:

本发明属于石墨烯材料技术领域，特别涉及一种高质量石墨烯的宏量制备方法。

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的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年英国曼彻斯特大学的科学家首次剥离出石墨烯，并证实它能稳定存在，从此石墨烯这种新型材料受到广泛关注，石墨烯具有十分优异的性能，例如其比表面积高达2630m².g^-1，体征迁移率高达200000cm².v^-1.s^-1，杨氏模量多达到1.0TPa，热传导常数为5000W.m^-1.K^-1，光学透射比高达97.7％，并且其导电性也十分优异，几乎达到了金属单质的导电性能。石墨烯展现出来的这些特性使其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。

目前，石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法和化学氧化还原法等，这些方法都有其优缺点，化学氧化还原法是目前低成本，大规模制备石墨烯较为普遍的方法，但所得的石墨烯通常导电性较差，并且层数难以控制。氧化还原法制备石墨烯分两步：首先是采用强氧化剂将石墨氧化为氧化石墨烯；第二步是还原氧化石墨烯得到石墨烯，常用的还原方法有高温还原法、还原剂还原法和微波还原法等；在石墨氧化过程中，由于有强氧化剂的存在，容易破环石墨烯的平面结构，产生缺陷，导致石墨烯的导电性能下降，而且在还原过程中，高温还原通常需要温度在1000度以上，消耗大量能源，常用的化学试剂比如水合肼等有剧毒，大量使用对环境污染严重。因此迫切需要开发一种在温和条件下，实现低成本、高质量石墨烯的宏量制备方法。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，解决目前石墨烯制备技术中存在的问题，提供一种低成本、低能耗、高质量石墨烯的宏量制备方法，制备的石墨烯缺陷少，层数可控，并且导电率高。

为了实现上述目的，本发明宏量制备高质量石墨烯的具体工艺过程为：

(1)、先将石墨和高锰酸钾加入到浓硫酸中，其中石墨、高锰酸钾与浓硫酸使用量的比例为1g：1g：30-40ml，再在室温下磁力搅拌30min后升温到50℃继续搅拌4h；然后向反应体系中加入水继续搅拌30min，再加入重量百分比浓度为30％过氧化氢溶液得到混合溶液，其中水与石墨的用量比为180-220ml：1g，过氧化氢溶液与石墨的用量比为15-20ml：1g；

(2)、将步骤(1)得到的混合溶液过滤后，加入HCl:H₂O体积比＝1:10的盐酸洗涤除掉金属离子，再水洗后得到固体，其中盐酸与石墨的用量比为80-100ml：1g，水与石墨的用量比为150-200ml：1g；

(3)、将步骤(2)得到的固体重新分散在水中，水与石墨的用量比为100-200ml：1g，再在3000rpm条件下下离心20min后取上清液进行过滤水洗，再在60℃下真空干燥8-12h制备得到氧化石墨；

(4)、将氧化石墨与添加物按照重量比为1：0.2-10的比例混合研磨均匀后加入微波炉中反应得到黑色固体，微波功率为600-1000W，反应时间为1-10min，优选3-5min；

(5)、将所得黑色固体水洗后在80℃下真空干燥10-12h，即制备得到石墨烯。

本发明所述石墨采用天然鳞片石墨，其片径为30-150μm，优选30-50μm。

本发明所述添加物为干冰或含碳酸根的盐，其中含碳酸根的盐包括碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸铁和碳酸氢钾中的一种或两种以上组合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是通过控制氧化剂的用量等条件来获得低氧化程度的氧化石墨，降低石墨的氧化程度，减少片层上的缺陷，较为完整的保持了碳原子的共轭结构，还原得到的石墨烯导电率高达1.8*10⁴S/m；二是通过将低氧化程度的氧化石墨与添加物混合后发生局部反应，使得氧化石墨边界官能团化的效果更明显，在微波作用下更容易剥离成为单层或者少层石墨烯；其制备工艺简单，原理科学，成本低，能耗低，工艺简单，适合大规模生产，制备得到的石墨烯为单层或者双层结构，缺陷少，质量高。

附图说明：

图1为本发明实施例1制备的石墨烯SEM图，其中a)为低倍SEM图；b)为高倍SEM图。