[发明专利]一种制备还原石墨烯或石墨烯薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料的制备技术领域，具体地涉及一种电化学还原氧化石墨烯制备高质量石墨烯的工艺。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种有sp²杂化碳原子组成的六角型呈蜂巢状的二维纳米材料。与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比，氧化石墨烯（GO，Graphene Oxide）价格低廉，原料易得。有望作为超级纳米材料广泛应用于电子、光电、电容器和传感器。

石墨烯是目前最坚硬的纳米材料，其拉伸模量能够达到1.01TPa，极限强度能够达到116GPa。石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，并具有优异的导电性，导热性和力学性能。石墨烯还具有特殊的电磁特性，例如，高电子迁移率（室温下σh>15,000cm²V^-1s^-1）；不会消失的导电率，低温零磁场导电率接近4e²/h（e为电子电荷，h为plank常数）；反常的量子霍尔效应；小的自旋轨道交互作用等（自由态二维碳原子晶体-单层石墨烯，杨全红、吕伟等，新型炭材料，2008，23（2）：97-103）。现有技术依托石墨烯特殊的二维结构、高电导率、高热导率、开关效应及低噪声等优点，将其广泛应用于单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件。

目前，自由态石墨烯的制备方法大体可以分为物理方法和化学方法，物理方法包括微机械剥离法、取向附生法、外延生长法等；化学方法包括氧化石墨还原法、化学气相沉积法等。其中，微机械剥离法费时费力，难以精确控制，重复性较差，难以大规模制备；取向附生法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀；外延生长法也难以获得大面积、厚度均一的石墨烯。

化学方法中，化学气相沉积法虽然能够制备出大面积的石墨烯，但是生产成本较高，工艺比较复杂；而氧化石墨还原法的成本较低、且高效、环保，能够大规模工业化生产，是目前石墨烯合成方法中应用最广泛的一种方法，其步骤为：先将石墨氧化分散（借助超声、高速离心）到水或有机溶剂中形成稳定均相的溶胶，再用还原剂还原得到单层或多层石墨烯。但是氧化石墨还原法容易导致一些物理、化学性能的损失。

近年来，研究者广泛使用的水合肼类化学还原法是采用化学还原剂使氧化石墨烯还原成石墨烯，还原剂为肼类化合物（Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide.Stankovich S.,Dikin D.A.,Piner R.D.Carbon,2007,45(7):1558-1565.），如水合肼、二甲基肼等。但由于肼类化合物具有易燃、易爆、剧毒的性能，大量使用会对环境造成严重污染，且使用的安全能很差，对环境和人类带来很多负面影响；而且反应过程中需要加热消耗大量能源。

为了解决石墨烯生产过程对环境造成的严重影响，近年来，有研究者（An environmentally friendly and efficient route for the reduction of graphene oxide by aluminum powder.Fan Z.,Wang K.,Wei T.Carbon,2010,48(5):1686-1689）开始用环境友好型还原剂还原氧化石墨烯，如抗坏血酸、还原性糖、铝粉等。现有技术通过还原方法，使GO脱氧实现重石墨化得到石墨烯，从而使氧化石墨烯的导电性能显著增大，但还原不彻底，石墨烯中碳元素和氧元素的比例小，电学性能较差，大大影响了石墨烯的应用广泛性。

如何开发一种对环境污染小，还原反应彻底，反应时间短的氧化石墨烯还原反应是本领域需要解决的一个问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种环境友好、反应速率快、反应彻底的制备还原石墨烯的方法。

本发明所述的制备还原石墨烯的方法，是在氨存在的条件下，用锌单质对氧化石墨烯还原，制备得到石墨烯。所述制备还原石墨烯的原料为氧化石墨烯溶胶或氧化石墨烯薄膜。

优选地，所述氨存在的条件为在反应体系中加入氨水；所述锌单质优选自锌粉。优选地，所述锌粉的粒径为0.1-5μm，优选0.2-3μm，进一步优选0.2-2μm。

本发明所述的制备还原石墨烯的方法中，向氨水中加入锌单质，形成锌-氨原电池还原机理，从而达到有效还原液相中的氧化石墨烯的目的。