[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，将石墨置于芳香胺中，然后对其连续超声或更换新鲜芳香胺进行多轮超声，将产物离心分离，即得到石墨烯。与现有技术相比，本发明仅靠超声作用在室温下即可完成石墨烯的液相剥离，不涉及其它耗能过程，制备工艺简便、成本相对低廉，在不大于1.5mg/mL的石墨含量的剥离体系经过有限的剥离轮数可以实现石墨的100％剥离，且所得石墨烯纯净品质高。这种完善的电子结构、特别是无溶剂残留的纯净石墨烯使其能够保持石墨烯固有特性，使其在纳米复合材料、大阳能电池、锂电池电极、超级电容器、发光二极管、场效应晶体管、液晶显示器件、柔性触摸屏等众多领域发挥不可替代的作用，有望在各行各业获得广泛使用。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯制备方法，属于石墨烯制备技术领域。

背景技术

自2004年英国Manchester大学Geim和Novoselov通过微机械剥离法制得了原子级水平的单层石墨烯片以来(Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,Jiang D, Zhang Y,Dubonos S V,Grigorieva I V,Firsov A.A.Electric field effect in atomicallythin carbon films.Science,2004,306(5696):666-669)，由于其低廉原料成本和优异电学性能而一夜之间成为了人们竞相研究的热点。石墨烯就作为一种明星级材料，在众多新材料中独占鳌头，成为材料和物理科学领域中研究新亮点，引起了全世界各级学者极大的关注和研究，前所未有的研究热潮随之而来。单层二维石墨烯是碳基材料的万能积木，是所有其它维度石墨形态的母体。其卷曲可以构造出零维巴基球(buckyball)和其他很多非管状富勒烯、一维纳米碳管，而堆叠在一起又回到三维石墨块体材料。二维石墨烯的电子和空穴的运动方式与普通三维石墨有很大的不同，却与相对论性粒子相同。其优异晶体品质和电子性质使其表现出普通材料难以达到的性能水平(Peng H S,Chen D Y,Huang J Y,Chikkannanavar S B,Hanisch J,Jain M,Peterson D E,Doorn S K,Lu Y F,Zhu Y T,JiaQ X.Strong and ductile colossal carbon tubes with walls of rectangularmacropores.Phys.Rev.Lett.,2008,101: 145501)。如石墨烯的理论比表面积可高达约2630m²/g，热导率可高达5300 W/(m.K)，高于碳纳米管和钻石的热导率，力学性能可高达1060GPa，常温下电子迁移率可高达15000～60000cm²/(V.s)，透光率97.7％，电导率高达10⁶S/cm，具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应。微米尺度的石墨烯膜具有足够的刚性而不会像柔性织物那样卷曲，也不折叠，相反，它具有很大的负载能力，能够承载超过自身重量的数百万倍物体(Booth T J,Blake P,Nair R R,Jiang D,Hill E W,Bangert U,Bleloch A,Gass M,Novoselov K S,Katsnelson M I,Geim A K. Macroscopicgraphene membranes and their extraordinary stiffness.Nano Lett.,2008, 8(8):2442-2446)。而以各种分子或官能团修饰的石墨烯衍生物有可能开拓出更多的新功能。这些独特性质使其在太阳能电池、发光二极管、替代ITO和FTO的透明电极、液晶显示器件、大规模图案可伸缩电极、锂离子电池的电极材料、电化学电容器、场效应晶体管、存储器、传感器和电化学生物传感器、防腐涂料、储氢材料、高活性仿生氧化催化剂、甲醇燃料电池催化剂、以及各种复合材料等领域有着广阔的应用前景，几乎无所不能。特别是在高频电路中由石墨烯制成的场效应晶体管有望替代现行主流的硅晶体管，使得超级计算机等各种电子设备仪器的高频提升变得无限广阔。在整个电磁波谱中鲜有开发研究的太赫兹光谱区石墨烯也有用武之地。这与其禁带宽度可调的特性有关，通过裁剪石墨烯成为微米或纳米带宽，可将其设计成0～3eV的禁带宽度(Brey L,Fertig H A.Electronic states of graphenenanoribbons studied with the dirac equation.Phys.Rev.B 2006,73(23):235411)，正好覆盖1～10THz太赫兹频段(Ju L,Geng B,Horng J,Girit C,Martin M,Hao Z,Bechtel HA,Liang X,Zettl A,Shen Y R,Wang F.Graphene plasmonics for tunable terahertzmetamaterials.Nat.Nanotechnol.2011,6:630-634)。这种可调节的能带隙使其有望应用于太赫兹发射器和探测器。这种多面手多用途的石墨烯有望发展成为继碳纳米管、导电聚合物、共轭聚合物等高芳香高耐热有机材料之后的新型多功能材料。