[发明专利]一锅法液相剥离大批量制备高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于高质量石墨烯制备技术领域，具体涉及一锅法液相剥离大批量制备高质量石墨烯的方法。

背景技术

英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是紧密堆积成二维六方蜂窝状晶格结构的单层碳原子，各碳原子之间以sp2杂化方式相连，C-C之间夹角为120℃，键长约为0.142nm，键能很强，结构非常稳定。单层石墨烯的理论表面积可达2620m²/g，载流子迁移速率最大可达2×10⁵cm²/V.S，电导率可达108Ω/m，断裂强度可达130GPa，弹性模量超过1TPa，热导率约为3000W/(mK)，透光率超过97％。二维石墨烯具有卓越的光、电、热和力学等性能，在众多传统产业和战略性新兴产业中有巨大的应用前景，被誉为下一代关键基础材料。然而，石墨烯产业化及应用的瓶颈性问题是如何高效率、规模化、低成本和环境友好地制备高质量石墨烯产品。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、SiC外延生长法，氧化还原法、机械剥离法及液相剥离法。其中化学气相沉积法可获得高质量的石墨烯，然而产率低，成本高，对衬底要求高，而且转移存在极大的困难。SiC外延生长法可获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。氧化还原法可实现批量生产石墨烯，但是由于在氧化的过程中石墨烯的结构遭到巨大的破坏，难于得到高质量无缺陷的石墨烯。机械剥离法可直接从石墨上剥离出少层或者单层石墨烯，但是该法操作繁琐，石墨烯的生产效率极低。相比之下，液相剥离法是一种操作简便，且能以低成本制备出高质量石墨烯的方法。

中国发明专利申请号201610994440.2公开了一种混合盐辅助剥离石墨制备石墨烯的方法，(1)将石墨、至少一种无机盐、至少一种有机盐和溶剂A混合得到石墨/混合盐复合物；(2)向石墨/混合盐复合物中加入促进剂或促进剂与溶剂B的溶液，充分混合；(3)分离干燥得到石墨烯。该制备方法步骤繁多，步骤繁多造成了费时费力，且步骤越繁多制备出来的石墨烯质量就越差，缺陷就越多。在(1)与(2)的混合步骤中都必须至少采用两种混合方式，这是一种资源的浪费，并且在(2)中还加入了促进剂，促进剂包括硫代硫酸钠，亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、过硫酸铵、过氧化钠、双氧水、过碳酸氢钠、过硼酸钠和过硫酸钠中的一种或多种的混合物，这些促进剂的加入造成资源的极大浪费。

中国发明专利申请号2016105113161.X公开了一种低成本制备石墨烯的方法，(1)将甲基吡咯烷酮与石墨粉按质量比(1～5)：1均匀混合，在60℃水浴中超声分散半小时形成糊状溶液；(2)将糊状溶液加入到行星式球磨机上球磨；(3)在(2)的溶液中加入去离子水，然后在室温下对混合物同时超声与搅拌；(4)洗涤干燥得多层石墨烯。该制备方法步骤繁多，步骤越繁多制备出来的石墨烯质量就越差，缺陷就越多。且在(2)中采用了球磨剥离方式，球磨会对石墨施加巨大压力，对石墨产生巨大的冲击力，这种巨大的压力与冲击力会使石墨烯层产生结构缺陷，极易造成石墨烯层结构晶格缺陷。没有添加辅助剥离剂，其剥离效果不佳，石墨烯产率不高，石墨烯缺陷太多。

中国发明专利申请号201410635115.8公开了一种功能化石墨烯的制备方法及其应用，采用石墨和/或其衍生物为原料，利用植物多酚和/其衍生物作为分散助剂，以水或有机溶剂中的一种或多种的混合溶剂为分散介质，采用超声或者搅拌剪切的方法从石墨和/或其衍生物剥离制备功能化石墨烯。植物多酚和/其衍生物只是作为分散助剂，其没有辅助剥离效果，该法制备的石墨烯产量不高，满足不了实际需求。

中国发明专利申请号201610150020.6公开了一种快速制备高品质石墨烯的方法，将石墨加入到含有插层剂的溶液中，搅拌均匀后，再加入剥离助剂，同时持续进行超声处理，使石墨剥离，然后洗涤至中性，再经离心去除底部不溶物后得到石墨烯分散液，经干燥处理后得到高品质石墨烯粉体。插层剂为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾中的一种或几种。剥离助剂为硫酸、盐酸、磷酸、甲酸、乙酸中一种或几种。插层剂与剥离助剂发生化学反应，实际上插层剂已经失去插层效果，对石墨剥离成石墨烯起不到作用，这样做反而是一种资源的浪费。

根据上述，选择合适的辅助剥离剂及溶剂对大批量生产高质量石墨烯极为重要。本领域需要操作简便、安全环保且制备成本低的大批量制备少缺陷高质量石墨烯的方法。

发明内容