[发明专利]一种超声剥离制备水相石墨烯分散液的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯功能材料制备技术领域，具体涉及一种水相石墨烯分散液，特别涉及一种超声剥离制备高浓度水相石墨烯分散液的方法。

背景技术

石墨烯是由一层碳原子组成的二维碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，厚度仅为0.34nm。石墨烯在力学、电学、热学等方面都具有独特的性质，在全世界范围内掀起了继富勒烯、碳纳米管之后关于碳素材料的第三次研究热潮。

目前石墨烯的制备方法有机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法、超声剥离法等。其中机械剥离方法制备的石墨烯质量最高，但其产量非常低，只能用于科学研究；化学气相沉积与外延生长方法制备的石墨烯缺陷少，但对设备要求高，原料转化率低，极大地限制了其应用；氧化还原法制备石墨烯虽然能规模化生产层数较少的石墨烯，但强氧化剂对石墨烯晶格的破坏使其六角蜂巢状晶体结构无法复原，导致其部分性能缺失；液相超声剥离法以石墨或膨胀石墨为原料，设备要求低，能耗低，且制备的石墨烯缺陷少，浓度高，被认为是一种最有前景的制备方法。

由于石墨烯比表面积较大，疏水性极强，且石墨烯与石墨烯间存在较强的范德华作用力，在液相超声剥离法制备石墨烯过程中，容易发生团聚，单层或少层的石墨烯很难稳定存在。目前主要是在一些特殊的有机溶剂中超声剥离制备石墨烯，这些溶剂包括N‐甲基吡咯烷酮、二甲基甲酯胺、邻二氯苯等，但这些溶剂通常成本较高，有一定的毒性，大量使用不可避免会对环境造成污染，且在石墨烯后期使用时较难除去，因此在生物传感器，医疗器械等众多领域的应用受到极大限制。

于是人们通过在水中加入适量的分散剂，借助超声波对石墨进行超声剥离，分散剂通过其共轭结构和疏水作用吸附在石墨烯表面，利用其结构上的电荷和自身的空间位阻实现石墨烯在水中的分散与稳定，该方法所制备得到的石墨烯结构缺陷少，且制备过程以水为介质，具有工艺简单、绿色环保的优点。目前可用于超声剥离法制备石墨烯的分散剂主要为化学合成类的小分子型分散剂，而对于天然高分子类型的分散剂木质素基两亲聚合物尚未见相关报导。

目前用于分散石墨烯的分散剂大部分都是一些化学合成型的小分子化合物，如CTAB、SDBS、SDS等，虽然具有一定的分散效果，但是由于其吸附在石墨烯表面时能够提高的空间位阻较小，故分散效果不理想。如文献中报道，利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)制备得到浓度为0.06g/L的石墨烯分散液、利用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)制备得到浓度为0.05g/L的石墨烯分散液、利用胆酸钠(SC)制备得到浓度为0.04g/L的石墨烯分散液；但制备的石墨烯浓度均低于0.1g/L。上述研究结果表明普遍使用的分散剂虽然能够在一定程度上分散石墨烯，但是所得石墨烯的浓度均较低，降低了原料的利用率；同时在后续使用过程中需要将石墨烯分散液浓缩，无疑提高了工业化成本。

石墨烯由于其独特结构，可以用作催化剂的载体，其本身也具有一定的催化活性，也可以用石墨烯制备的复合材料充当催化剂，使得其在光催化领域的研究得到了广泛的关注；石墨烯的电子迁移率是硅的100倍，具有卓越的强度和透明度，97.7％的光可被传输。石墨烯具有良好的透光性和导电性，很有潜力成为ITO的替代材料，利用石墨烯制作透明的导电膜并将其应用于太阳电池中也成为研究的热点；石墨烯还具有良好的生物相容性，石墨烯修饰电极被广泛应用于无机金属离子的检测。但石墨烯在这些领域的应用都需要以高浓度的石墨烯为前提，故制备高浓度的水相石墨烯具有十分重要的意义。但石墨烯比表面积较大，疏水性极强，且石墨烯与石墨烯间存在较强的范德华力作用，极易发生团聚，故欲制备高浓度的水相石墨烯还存在较大的技术困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种超声剥离制备高浓度水相石墨烯分散液的方法。

本发明方法首次将天然高分子木质素磺酸钠等木质素两亲聚合物应用于超声剥离法制备水相石墨烯分散液，同时在经济环保的前提下实现石墨烯在水相中更好的分散，制备得到的石墨烯结构缺陷少，且浓度高，最低为0.1g/L(原料浓度为1g/L)。高浓度水相石墨烯的制备，既提高了原料利用率，又避免了后续使用过程中需要工艺浓缩石墨烯分散液，降低了工业化成本。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种超声剥离制备高浓度水相石墨烯分散液的方法，其特征在于包括以下步骤：