[发明专利]一种利用气流粉碎机制备石墨烯的方法及石墨烯

说明书

本发明提供了一种利用气流粉碎机制备石墨烯的方法及石墨烯，通过在石墨原料中混入作为剥离介质的片形金属粉，在气流粉碎机作用下，石墨与片状金属粉不断撞击，产生切削与剥离，至得到硬度较大的石墨烯片材为止，此后再通过气流粉碎机上的旋风分离器将石墨烯片材进行收集，并通过简单的浮选得到高纯度的石墨烯片材。本发明制备得到的石墨烯晶体结构较完整，厚度较薄且分布均匀，本发明过程简单，操作快速，成本较低，部分材料可重复利用，制备效率高，利于大规模工业化制备石墨烯。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及通过机械法制备石墨烯的技术领域。具体涉及一种利用气流粉碎机制备石墨烯的方法及石墨烯。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家使用微机械剥离的方法发现了石墨烯，并于2010 年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯为一种单一原子厚度且具有sp2 键结的碳原子的平板结构，理论上，具有完美六角网状构造，呈现优异的电子稳定性、导热性、光性能、力学性能等。自从石墨烯被发现以后，由于其优异的性能和巨大的市场应用前景引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。石墨烯是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域广泛应用，是最有前景的先进材料之一。然而,目前还没有有效的方法可量产高质量石墨烯。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。

在中国专利CN103231457B中提出了一种高产量制备石墨烯的方法，其通过将高序热解石墨或鳞片石墨粘附在高精度压电陶瓷的驱动面上，在定位后使用电动机带动刀片，以圆周切割的机械切削方式进行切削，再将切削下来的石墨烯片层材料洗脱、干燥的过程制备石墨烯，该方法虽然可以用简单的机械切割操作实现石墨烯的制备，但其过程缓慢，效率较低，并不适于工业上同时制备大量的石墨烯。

在中国专利申请CN104400917A中公开了一种石墨片的切割工艺，其采用滚刀匀速转动，并对石墨片进行调整来适应滚刀的运动的方法进行石墨片切割，具体的，其在切割中需要比较人工石墨片感应信号和滚刀的感应点或电气原点，以获得每次两者的相对位置差异，其过程复杂，得到的石墨片相对于石墨烯厚度较大。

在中国专利CN103723707B中公开了一种石墨烯薄片制备方法，其通过将一湿氏剪切力作用于高度石墨化的石墨烯上，通过流体作用力将高度石墨化的石墨烯分散为石墨烯薄片，该制备方法需要特制的配套设备，成本较高。

在中国专利申请CN104030281A中公开了一种石墨烯的制备方法，其将氧化石墨用机械剪切或球磨的方式破碎成小碎片，通过气流碰撞研磨剥离得到石墨烯。该发明基于小碎片氧化石墨在低氢浓度下和低温的还原和剥离，提供了一种安全、低成本氢还原制备石墨烯的方法。然而这种强力的碰撞损伤了石墨烯的层结构，且得到的石墨烯尺寸面积小。

上述方法虽然都是通过简单的机械方式制得石墨烯或石墨片，但多数制备过程为间隙式制备方法，单次处理量少，处理过程较复杂，不适于石墨烯的大规模生产；采用研磨方式获得石墨烯的还容易对石墨烯的晶格结构造成明显破坏，使得到的石墨烯晶体尺寸小、完整性差；多数制备方法需要的设备复杂，导致生产成本较高，不利于工业化制造。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备过程简单，制备成本低，制备效率高，产物晶体结构较完整的石墨烯制备方法。本发明的技术方案如下：