[发明专利]高效剥离石墨粉制备大尺寸石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种高效剥离石墨粉制备大尺寸石墨烯的方法，包括如下步骤：1)将插层剂溶于去离子水，配制成插层剂溶液；其中插层剂为水溶性聚合物；2)向插层剂溶液中加入石墨粉，混合均匀，得到石墨粉悬浊液；3)将石墨粉悬浊液以50～450mL/min的速度通过微射流机，循环处理多次，得到悬浊液I；4)将悬浊液I过滤，用去离子水反复洗涤并滤干得到石墨烯滤饼，直接使用，或者采用喷雾干燥、真空干燥除去水分后得到石墨烯干粉。该方法利用微射流机对石墨粉进行剥离，结合水溶性插层剂，一方面避免了采用超声分离所不能规避的弊端，另一方面，水溶性插层剂便于去除；最终制得石墨烯缺陷少，尺寸在3～15μm。

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，特别是涉及一种高效剥离石墨粉制备大尺寸石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由sp²杂化碳原子形成的蜂窝状六角平面结构的二维材料。石墨烯具有良好的电学、光学、力学、热学性能等众多普通材料不具备的性能，在能源、电子材料、复合材料及环境保护等诸多领域具有潜在的应用前景。随着石墨烯潜在用途的日益扩大，石墨烯的宏量制备方法成为人们研究的热点。已知的石墨烯制备方法包括机械剥离法、电化学法、氧化石墨还原法、外延生长法、化学气相沉积法等。近年来，采用液相法机械剥离石墨烯技术得到格外重视。

中国发明专利申请CN103253659A公开了一种超声波剥离石墨制备石墨烯的方法，将石墨粉末和插层剂按一定比例在有机溶剂中均匀混合，再利用超声波浴进行剥离一定时间，离心分离，过滤后即获得石墨烯。利用该方法制备石墨烯的效率不高，而且随超声波处理时间延长，石墨片尺寸变小，其应用领域受到限制，用于聚合物增强改性效果不佳，用于导电改性则需要更高的添加量。中国发明专利申请CN 103466608A公开了一种球磨制备石墨烯的方法，将石墨粉与烷基六元芳环或稠环聚醚型非离子表面活性剂与水混合后置于球磨罐中，以200-500rpm的转速球磨5-30小时，离心分离，制得不同浓度的石墨烯水溶液。采用此方法生产石墨烯虽然效率很高，但极易造成晶格缺陷，且得到的石墨烯尺寸较小，有时石墨片的尺寸仅有数百纳米，阻碍了石墨烯的大规模应用。《再生和可持续能源杂志(JOURNAL OF RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY 5，033123(2013))》公布了一种借助1-芘甲酸的π-π共轭作用，采用球磨法制备石墨烯的技术，所使用的插层剂虽然辅助剥离作用明显，但去除困难，插层剂成本高。

综上所述，目前机械剥离制备石墨烯以超声剥离和球磨剥离为主，超声剥离法效率较低，石墨片尺寸小，导致石墨烯产品、质量降低；球磨法利用研磨对石墨施加压力，使石墨剥离成石墨烯，但这种冲击力极易造成石墨烯的晶格缺陷，降低石墨烯产品的晶体尺寸，同时研磨介质的强大压力会导致石墨层结构变得更加紧密反而会导致剥离效果降低，造成研磨时间长、成本高昂，因此难以进行大规模产业化生产；使用1-芘甲酸类插层剂去除困难，以及生产成本增高。

中国发明专利申请CN103253659A公开了一种超声波剥离石墨制备石墨烯的方法，将石墨粉末和插层剂按一定比例在有机溶剂中均匀混合，再利用超声波浴进行剥离一定时间，离心分离，过滤后即获得石墨烯。虽然使用插层剂提高了剥离效率，但是依然不能避免采用超声分离方法所带来的弊端。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高效剥离石墨粉制备大尺寸石墨烯的方法，其利用微射流机对石墨粉进行剥离，结合水溶性插层剂的使用，一方面避免了采用超声分离所不能规避的弊端，另一方面，水溶性插层剂便于去除；最终制得石墨烯缺陷少，尺寸在3～15μm。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种高效剥离石墨粉制备大尺寸石墨烯的方法，包括如下步骤：

1)将插层剂溶于去离子水，配制成插层剂溶液；

其中所述插层剂为水溶性聚合物，其在石墨烯表面能形成π-π共轭键；