[发明专利]一种基于鳞片石墨制备石墨烯纳米片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，更具体地，涉及一种基于鳞片石墨制备石墨烯纳米片的制备方法。

背景技术

石墨烯，是一种由sp2杂化的碳原子以六方形格子的形式成键，所形成的碳的二维平面单层结构，是碳的同素异形体。石墨烯是构建其他维数碳材料的基本单元，当它以包裹、卷绕和堆砌的方式变化时，可以分别形成零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的石墨。石墨烯具有良好的电学与光学性能、力学性能、热传导性能以及极高的电荷载流子迁移率，同时还有出色的机械强度和柔韧性。石墨烯的这些性质，让它受到众多关注而迅速成为研究的热点。通过化学修饰处理的石墨烯及其衍生物更是具有特殊功能的材料，可用于晶体管、液晶装置、电化学生物传感器、超级电容器、燃料电池、太阳能电池等等。在过去的研究过程中，人们通常用机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法等制备石墨烯。但是，上述这些方法均无法用来大批量制备无缺陷的高品质石墨烯。例如，机械剥离法虽然理论上能够制得无缺陷高品质石墨烯，但所得石墨烯的产量却非常有限。而气相沉积法虽然可用于制备大面积石墨烯，但是其生产工艺复杂、制备条件苛刻、生产成本高并且石墨烯薄膜的分离和转移工艺更是难度很大，所以这一方法仍有很大的局限性。

机械球磨法不仅操作简单，经济适用，而且费用容易应用于工业化大规模生产中，因此也一跃成为大规模制备少层石墨烯纳米片及其复合材料的新工艺方法，但是，由传统固相球磨发展而来的湿法球磨工艺制备石墨烯产率较低，而固态介质机械球磨容易导致非晶化。传统摆振高能球磨得到的石墨片层厚度较厚，并且由于机械应力作用从而会造成层片状结构难以保存完整，易形成边缘碳缺位结构。

等离子体辅助高能球磨机是将冷场放电等离子体引入到机械球磨中，使粉末在球磨过程中不仅受到机械冲击作用；同时还受到等离子体的热冲击效应和活化效应，其中包括，（1）等离子体的较高电子温度可导致材料的“热爆”现象；（2）等离子体的高速高温的脉冲电子轰击材料表面，增加粉体微区的热应力、应变；（3）等离子体中的物质微粒具有高活性，吸附沉积在粉体表面后引起材料表面高能活化。上述因素共同作用加快粉体的细化、活化及合金化进程，提高粉体制备效率，并实现节能环保。在材料的粒子细化、合金化、固溶体制备、原位还原和气固反应等方面优势明显，并已在硬质合金、锂离子电池和储氢材料等方面有较好的应用。

发明内容

本发明的要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，创造性地引等离子体辅助高能球磨法，提供一种成本较低、产率高、能规模化工业生产的基于鳞片石墨制备石墨烯纳米片的制备方法。

本发明还提供一种采用上述方法制备得到的石墨烯纳米片。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种基于鳞片石墨制备石墨烯纳米片的制备方法，包括以下步骤：

S1.制备氧化鳞片石墨：将鳞片石墨和硝酸钠分别加入到浓硫酸中，在保持低于20℃的同时逐渐加入KMnO ₄，保持低温搅拌1～2h，然后将温度升至35～40℃搅拌30min，再将温度升至65～80℃，并向溶液中滴加双氧水，保持40min，通过反复离心和过滤洗涤，然后真空干燥，得到氧化鳞片石墨；

S2.预剥离：将步骤S1得到氧化鳞片石墨放置在升温炉内，温度从室温升高至260～305℃，升温速度为9.0℃/min，并保持以3000ml/min通入惰性气体；

S3.剥离：将步骤S2得到的产品置于等离子体辅助高能球磨机中继续剥离，先对球磨罐内进行2～4次气氛清洗以排净罐内空气，清洗完毕后再向罐内通入0.1MPa氩气保护气体作为等离子体气源，同时添加球磨介质作为球磨助剂，球料比为3:1，球磨过程中转速为900～1000r/min，外加电压大小为10～20KV，电流大小为1.5A，放电频率为20KHZ，球磨时间6～8h，最终得到石墨烯纳米片。

本发明步骤S1中采用鳞片石墨为原料，通过优化氧化工艺，可以有效控制鳞片石墨氧化过程中的副反应发生，进而提高鳞片石墨的氧化度；步骤S2中采用低温法预剥离成本更低，适用于工业生产；步骤S3采用放电等离子体辅助球磨法，进一步地得到少层结晶性较好的石墨烯纳米片，对石墨片层破坏较，工艺简单且可以大批量生产。

优选地，步骤S1中所述鳞片石墨碳含量99%以上，粒径100目～200目。

优选地，步骤S1中所述洗涤是指首次采用采用5%的HCL，其余采用去离子水。

优选地，步骤S1中所述鳞片石墨与KMnO ₄的质量比为1:3。