[发明专利]制备层状剥离石墨烯的高效率方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备氧化石墨和层状剥离石墨烯的方法，所述层状剥 离石墨烯优选是高度层状剥离石墨烯(即，超高表面积层状剥离石墨 (exfoliated graphene))，涉及由此制备出的氧化石墨和层状剥离石墨烯，并 且涉及含有层状剥离石墨烯的复合材料。

背景技术

碳纳米管具有非常有益的性质，因此具有很多实际并且潜在的应用， 包括电屏蔽、导电聚合物复合材料和氢存储储存器。然而，碳纳米管遭遇 到了高的合成成本。备选的碳材料具有以显著更低的花费提供类似性质的 可能。

一种这样的备选材料是石墨。石墨是丰富的天然矿物，并且是在自然 界中发现的最刚性材料之一(杨氏模量约1060千兆帕斯卡(gPa))，其具有 优异的电和热的传导性。其具有比粘土更好的机械、热和电的性质，以及 更低的密度。相比于其它导电填料比如碳纳米管(每克约$100($/g))、气相 生长碳纤维(VGCF，$40/lb至$50/lb)以及碳纤维(约$5/lb至$6/lb)，结晶石 墨的成本更低(对于石墨纳米薄片为每磅$1.5美元($/lb)至$1.6/lb，并且小 于$5/lb)，并且相对于炭黑的机械性质，石墨具有优异的机械性质，使得 石墨成为有吸引力的用于同时需要最终产物的物理机械性质改进以及电 导性的商业应用的代替品。

石墨由sp²-碳原子的六边形排列或网络的层状片构成。六边形排列的 碳原子的片基本上是平坦的，并且取向，使得它们基本上彼此平行。

石墨是sp²-结合碳的芳香族片，所述sp²-结合碳的芳香族片是天然产 生三维(3-D)石墨的二维(2-D)对应物(Niyogi等，“Solution Properties of Graphite and Graphene，美国化学会期刊(Journal of the American Chemical Society)，2006，128，7720)。在石墨中的石墨烯片的夹层间距是这 表示sp²-结合碳的范德华距离(Niyogi等)。Niyogi S.等还提及了化学改性石 墨烯的制备。

下列文献均提及了制备石墨烯的方法：Novoselov KS等的“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films，”科学(Science)，2004；306： 666；Meyer J.等的“The structure of suspended graphene sheets，”自然 (Nature)，2007；446：60-63；以及Novoselov KS等的“Two-dimensional atomic crystals，”Proceedings of the National Academy of Sciences，2005；102： 10451-10453。

Mack等的“Graphite Nanoplatelet Reinforcement of Electrospun Polyacrylonitrile Nanofibers，”高级材料(Advanced Materials)，2005； 17(1)：77-80，提及了石墨烯具有约2630平方米/克(m²/g)的 Braunauer-Emmett-Teller(BET)理论表面积。

层状剥离石墨通常是层状剥离或部分层离的石墨，这种层状剥离或部 分层离的石墨的BET表面积大于石墨的BET表面积，但小于单石墨烯片 的BET理论表面积(即，小于2630m²/g)。

石墨的层状剥离或膨胀(expansion)是在石墨中的石墨烯片之间的距离 增加，产生具有非常大的表面积的纳米材料的过程。这样的材料有利于各 种不同的应用，包括例如形成复合材料。