[发明专利]一种基于萃取技术制备高浓度石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种基于萃取技术制备高浓度石墨烯的方法，涉及石墨烯制备技术领域，包括以下步骤：向剥离剂中加入石墨粉，搅拌，通过超声和/或机械剪切进行剥离分散，离心，取上清液，即得低浓度的石墨烯溶液；向低浓度的石墨烯溶液中加入萃取剂，振荡分离，即得高浓度的石墨烯分散液。本发明通过溶液萃取技术，在溶剂转化过程中提高液相剥离石墨烯的浓度，避免了石墨烯片层在提浓过程中的团聚，制得的石墨烯纯度较高、缺陷少，且向液相剥离石墨烯溶液中加入表面活性剂，有利于石墨烯在萃取剂中的分散，从而能够有效缩短萃取时间，该方法工艺简单、成本低廉，有望实现液相剥离石墨烯的产业化制备。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种基于萃取技术制备高浓度石墨烯的方法。

背景技术

现代电子器件发展的趋势是保持和传统刚性电子器件相同高性能的同时具有大变形能力，并实现满足人性化市场需求、准确应对商业应用、低廉的成本投入、短时间的回报周期的目标。为了达到这一目标，需要对溶液化的材料墨水，快速和低成本的制备工艺，针对性的市场投入，高性能的电子器件作为研究方向。因此，首要目标是实现溶液化材料墨水，以实现与所选制造工艺相匹配，满足柔性电子器件薄膜形貌的一致性和图案的高分辨率的目标。

石墨烯材料以其高比表面积、高电导率、高导热率、低成本被认为是导电油墨的主要材料之一。现在制备石墨烯的方法主要机械剥离、液相剥离、外延生长、氧化还原法和化学气相沉积，这些方法或多或少都存在缺陷。相比较而言，液相剥离法是通过超声波的作用使特定溶剂缓慢进入石墨层间隙，随着溶剂分子浸润石墨片层，层间距逐渐被扩大，溶剂分子振动的能量克服石墨片层作用力，从而剥离产出石墨烯，具有获得石墨烯纯度较高、缺陷少、工艺简单、成本低廉的优点。特定溶剂是指溶剂表面能与石墨原料的表面能接近，可以高效的剥离石墨烯，最好效果的溶剂的表面张力值在30-50mJ/m²范围内。然而液相剥离的石墨烯浓度偏低、且容易团聚，严重的影响其后续的使用过程，目前主要有三种方法提高液相剥离石墨烯的浓度。一是如Li等(Jiantong Li.Adv.Mater.2013)采用减压蒸馏的方式进行溶剂交换，最终将液相剥离的石墨烯浓度提高60倍，最后得到1.2mg/mL的石墨烯墨水，但该方法需要减压蒸馏装置，操作难度较高；二如Finn等(D.J.Finn.J.Mater.Chem.C.2014)采用高转速离心的方法提高浓度，需要昂贵的设备，且单次处理量较少；三如Secor等(E.B.Secor.J.Phys.Chem.Lett.2013)采用烘干溶剂得到粉末再重新配置分散的方法，该方法烘烤过程会造成石墨烯片的再堆叠，重新分散会破坏片层结构和形貌。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于萃取技术制备高浓度石墨烯的方法，能够高效无损的提高液相剥离石墨烯的浓度，且低成本，能够满足柔性化电子发展趋势的需要。

本发明提出的一种基于萃取技术制备高浓度石墨烯的方法，包括以下步骤：

S1、液相剥离：向剥离剂中加入石墨粉，搅拌，通过超声和/或机械剪切进行剥离分散，离心，取上清液，即得低浓度的石墨烯溶液；

S2、萃取分离：向低浓度的石墨烯溶液中加入萃取剂，振荡分离，即得高浓度的石墨烯分散液。

优选地，S1中，剥离剂为表面张力在30-50mJ/m²的单一溶剂或者混合溶剂，优选地，所述剥离剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃，异丙醇、乙基纤维素的乙醇溶液、黄素单核苷酸钠盐水溶液中的一种。

优选地，S1中，石墨粉为鳞片石墨、球型石墨、天然石墨、微插层石墨、氧化石墨、定向热解石墨中的一种或多种。

优选地，S1中，石墨烯和剥离剂的质量体积比为0.5-30g/L。

优选地，S1中，超声时间为0.5-24h；优选地，离心时间为5-30min，离心转速为2000-6000r/min。