[发明专利]一种石墨烯制备过程中的除杂方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯领域，具体地说涉及一种石墨烯制备过程中的除杂方法。

背景技术

自2004年被发现以来，石墨烯作为一种新型碳材料备受关注。它是一种完全由sp²杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有高透光性和导电性、高比表面积、高强度及柔韧性等优异的性能，可望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。但是，高质量石墨烯的低成本、大量制备仍面临困境，制约了该材料的发展与应用。

目前，石墨烯的制备通常采用液相膨胀超声剥离法，液相膨胀超声剥离法是先以卤素或金属卤化物为插层剂制得石墨插层化合物，再以石墨插层化合物为原料，经过液相膨胀处理、超声波剥离和干燥处理三个工序后，最终得到石墨烯粉体，如中国专利号 “201110282370.5”在2012年5月2日公开了“一种制备高质量石墨烯的方法”，其技术方案为首先以卤素或金属卤化物为插层剂的石墨插层化合物为原料，在草酸或过氧化氢溶液中进行膨胀处理得到高度膨胀的蠕虫状石墨烯聚集体，然后将蠕虫状石墨烯聚集体在有机溶剂或各种表面活性剂的水溶液或有机溶剂溶液中进行超声波震荡处理，从而得到高质量石墨烯。但该方法仅仅只能实现单批次百克级的高质量石墨烯的制备。

随着石墨烯应用领域的拓展，对石墨烯的需求量日益增加，为了获得更高的生产能力，就需要对上述技术进行放大以实现单批次数百公斤级的产量。但由于单批次物料处理量的增大，在放大过程中出现了以下几个严重影响生产效果的问题：

第一、上述专利主要是利用存在于石墨层间的金属离子(M^x+)催化过氧化氢在层间分解产生氧气(O₂)的膨胀作用剥离石墨得到石墨烯，在膨胀反应开始时，金属离子只存在于石墨层间，反应以有效分解为主；随着反应的进行，这些层间金属离子逐渐溶解到液相中，当金属离子的浓度增大到一定程度时，会造成无效分解的加剧，特别是在大量制备（单批次制备数百公斤的石墨烯）时，物料量的增大，导致从石墨层间溶出的金属离子量巨大，反之物料的增多也使得金属离子在溶液中的扩散受阻，但由于上述专利中的膨胀液为草酸或过氧化氢溶液，该膨胀液不能对溶液中的金属离子加以处理，溶液中的金属离子越来越多，这些金属离子杂质会导致局部无效分解加剧，使得参与膨胀反应的有效物质量减少，导致插层石墨原料的膨胀不足，对石墨的膨胀产生不利影响，从而无法规模化得到高质量的石墨烯。第二、剥离后的插层剂难以完全去除，导致所得石墨烯产品中的金属离子杂质含量过高（5 — 10 wt%），而对后续应用造成不良影响。第三、得到的石墨烯层数多数集中在7—9层，石墨烯产品的质量和性能较差。第四、石墨剥离成石墨烯时，比表面积急剧增大，同时由于膨胀反应中的弱氧化作用，使得石墨烯表面带有负电荷，因而容易络合插层剂及溶液中带正电荷的金属离子，由于大量制备时处理物料量的增加，这些金属离子杂质难以通过简单的水洗去除，因此造成所得石墨烯产品中金属离子杂质的含量增加，大量金属离子的存在将会对石墨烯的质量造成影响。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种石墨烯制备过程中的除杂方法，本发明能够去除石墨烯在制备过程中产生的金属离子杂质，从而达到规模化制备高纯度石墨烯的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种石墨烯制备过程中的除杂方法，其特征在于：在石墨烯制备过程中的液相膨胀处理工序与超声波剥离工序之间增设酸洗工序洗涤蠕虫状石墨烯聚集体，去除蠕虫状石墨层间的金属离子，在液相膨胀处理工序和超声波剥离工序中加入金属离子络合剂，络合从蠕虫状石墨层间游离出的金属离子。

所述酸洗工序的具体过程为：先配置酸洗液，并使其保持40—60℃的恒定温度，再向酸洗液中加入经液相膨胀处理工序得到的蠕虫状石墨烯聚集体，并搅拌0.5—5h，然后过滤洗涤蠕虫状石墨烯聚集体至中性。

所述酸洗液是浓度为1—50g/L的金属离子络合剂，酸洗时，蠕虫状石墨烯聚集体与金属离子络合剂的质量配比为1：5—1：50。

在液相膨胀处理工序中，石墨插层化合物与金属离子络合剂的质量比为1：0.5—10。

在超声波剥离工序中，石墨插层化合物与金属离子络合剂的质量比为1：0.5—5。

在石墨烯制备过程中的石墨插层化合物制备工序、液相膨胀处理工序和超声波剥离工序完成后，均需使用纯水洗涤，直到洗涤滤液呈中性为止。