[发明专利]石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备方法，特别是涉及一种以碳纳米管为原料制备石墨烯的方 法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种新型碳材料，它作为一种最新发现的碳的单质存在形式，最 近几年引起了广泛的研究兴趣。

在石墨烯中，碳原子以SP2方式杂化，每个碳原子与它周围的三个碳原子之间以共价 键相互连接，形成了二维平面结构，在二维平面上的碳原子的未成键P轨道形成了在整个 平面上的大π键。石墨烯这种独特的结构给它带来了一系列新颖、特殊的性质。石墨烯在 平面上仅有一层碳原子，是目前发现的最薄的一种材料。由于二维平面上的碳原子完美的 排列，碳原子之间由非常牢固的共价键连接，所以石墨烯非常稳定，沿着这个平面方向具 有非常好的力学强度，其抗拉强度可达到50-200GPa，弹性模量可达1TPa，是目前可制备 出的具有最高比强度的材料。石墨烯这种优异的力学性质使得它被广泛的用于制备各种各 样的具有超高的力学强度、弹性、抗疲劳性及许多其它优异性质的高分子复合材料。

其次，二维平面上的碳原子未成键的P轨道形成了在整个平面上的大π键，使得石墨 烯具有奇特的电学性质。石墨烯中电子的运动速度比一般导体中的运动速度快的多，达到 了光速的1/300，必须用相对论的量子力学才能描述石墨烯中的电子运动行为。石墨烯中 的碳原子非常的完美排列，使得电子的散射中心很少，所以石墨烯的导电性能非常优异。 石墨烯可以按照边缘碳原子的排列方式分为扶手椅型和锯齿形。扶手椅型的石墨烯带随它 的宽度可以为金属性或者半导体性，而锯齿形的石墨烯为金属性，从而可以通过控制石墨 烯的结构来控制它的能带结构和导电性质。不同电学性质的石墨烯在场效应晶体管、分子 导线以及透明电极和导电薄膜方面有比较好的应用前景。当石墨烯两端的悬键用不同基团 饱和后，石墨烯会表现出自旋相关的导电性，拥有不同自旋的导电通道，其中一个导电通 道为半导体型，而另一个为金属性。这使得它在自旋电子学器件上有比较好的应用前景。 石墨烯很容易吸附很多分子，它们之间的相互作用会使得石墨烯的能带结构发生变化，引 起导电性的变化，通过电学信号的检测可以作为检测这些分子的传感器。石墨烯的量子霍 尔电导使得它可以作为在室温下的量子电学器件。另外，石墨烯还可以制作可折叠的有机 发光二极管显示器和有机太阳能电池。

此外，由于石墨烯具有很大的比表面积，非常适合用作可反复使用的储氢材料，通过 在石墨烯中掺杂其它金属，它的储氢性能可以得到进一步的提高。石墨烯可以负载多种催 化剂颗粒，作为优良的催化剂载体，提高催化剂的活性和稳定性。石墨烯优良的导电能力， 使得它可以作为电极材料，在锂离子电池，燃料电池方面均有重要应用。

目前，石墨烯的生产方法主要有机械剥离法、热膨胀石墨法和化学气相沉积法。机械 剥离法、热膨胀石墨法效率低、产量小，只能限于实验室小规模实验。而化学气相沉积法 目前还很不成熟。最近科学家通过在浓硫酸中用高锰酸钾氧化碳纳米管的方法大规模的制 备了结构可控的石墨烯，但是这个方法用到了大量的具备高腐蚀性的浓硫酸。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、环境友好、转化效率较高的可用于大规模工业生 产制备石墨烯的方法。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：通过碳纳米管和氧化剂在离子液体 中反应制备石墨烯。本发明方法基于如下原理：碳纳米管在离子液体中可以非常好的分散， 然后氧化剂会将碳纳米管的管状结构氧化，由于氧化处的反应活性要比未氧化处的反应活 性高，所以碳管会沿着一个方向一直氧化形成石墨烯。

优选地，在反应前，将作为反应原料的碳纳米管通过常规的分散方式(比如研磨、搅 拌等)分散在作为反应介质的离子液体中，然后加入氧化剂，在一定的反应温度和反应时 间下进行反应，得到石墨烯。

其中，碳纳米管和离子液体的质量比优选在1∶10000-1∶10之间；反应温度优选在 0-300℃之间；反应时间优选在0.1-48小时之间。上述各个优选的取值区间均包括区间端值。

在本发明的石墨烯制备方法中，离子液体的选择是广泛的，常用的离子液体比如咪唑 型离子液体、吡啶型离子液体、哌啶型离子液体、吡咯烷型离子液体、季铵型离子液体、 吗啉型离子液体、季膦型离子液体和功能化离子液体等均可使用，其中，优选咪唑型离子 液体。在某些情况下，可混合使用上述离子液体中的两种或两种以上，只要混合使用的这 些离子液体彼此之间不存在不利于本发明的负面影响。