[发明专利]一种大片层石墨烯及其制备方法

说明书

本发明提供了一种大片层石墨烯及其制备方法，所述大片层石墨烯的制备方法为：以石墨插层化合物为原料，使石墨插层化合物层间的插层剂与反应试剂在湍流条件下发生反应产生气体，湍流产生的剪切力和所述气体共同剥离石墨插层化合物中的石墨片层，得到大片层石墨烯。所述制备方法融合了物理剥离与化学剥离两种同时进行的过程，能够得到片层大小为1‑50μm、厚度为1‑8个原子层的大片层石墨烯，并且十层以下的石墨烯产率近乎100％，另外，所述制备方法简单、易控、反应条件温和，方法简单，成本低，适宜产业化。

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，涉及一种石墨烯及其制备方法，尤其涉及一种大片层高质量石墨烯及高效制备大片层高质量石墨烯的方法。

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，石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，导热系数高，常温下其电子迁移率高，电阻率比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。因其是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。同时石墨烯材料也可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。

到目前为止，关于石墨烯的制备已经发展出了很多方法：微机械分离法，氧化石墨还原法，化学气相沉积法，溶剂剥离法等。

最开始采用的方法便是微机械分离法，通过机械力把单层石墨片从石墨晶体中剥离出来，这种方法获得的单层石墨片比较完整，却无法控制单层石墨的尺寸大小，这种方法由人工操作，且厚薄不均一。

氧化石墨还原法是主要是基于Hummer方法将石墨进行氧化处理，得到氧化石墨后，再对其进行剥离得到氧化石墨烯，最后经过还原处理得到石墨烯。由于氧化过程通常会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在较大的差距。此外，石墨的氧化过程通常需要大量强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、重铬酸以及高锰酸钾、硝酸钠等；而目还原过程中又需要高温处理或使用肼、二甲基肼等有毒性化学物质，不仅能耗大、效率低、成本高而且污染环境。

化学气相沉积法是用金属或金属化合物放在不同衬底表面作为催化剂，在反应腔体内充入含碳的气体，并在高温下把石墨烯沉积到衬底上的方法，这种方法可以实现大规模的石墨烯制备，但是仍存在一些不足之处，比如这种方法制备的石墨烯没有表现出量子霍尔效应，如何选取合适的衬底也是一个难题，同时存在成本较高，工艺复杂的缺点。

溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备高质量的石墨烯，在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高(大约为8％)，电导率为6500S/m；缺点是产率很低。液相超声剥离往往需要长时间超声，有的甚至到达数百小时，不可避免的破坏了石墨烯的完整性，从而影响其性能。

另外，D.A.Bennetts和L.M.Hocking在Proc.R.Soc.Lond杂志上从流体动力学角度解释了高速倾角旋转导致容器内湍流的产生，Xianjue Chen等人在Chem.Commun.杂志上发表了利用湍流剥离石墨和氮化硼的方法；CN103350995中介绍了一种制备高质量石墨烯的湍流方法。但是，仅仅依靠物理剥离石墨制备石墨烯的难度较大，并且制得的石墨烯的产量较低。

由于上述制备方法存在的弊端，在石墨烯制备领域迫切需要开发一种可大量、低成本且环境友好的制备高质量石墨烯的新方法。

发明内容