[发明专利]高效率低成本机械剥离制备石墨烯或氧化石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯或氧化石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是目前已知最薄的二维材料，单层石墨烯具有理想二维晶体结构，由六边形晶格组成。自从被成功制备出来，石墨烯在全世界范围内引起了一股新的研究热潮。石墨烯具有许多奇特的特性，具有优异的电学、光学、热学和力学性质，很有可能在很多领域引起革命性的变化。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2630m²/g)，是很有潜力的储能材料。石墨烯是一种没有能隙的半导体，它具有比硅高很多的载流子迁移率(2×10⁵cm²/(V.s))，在室温下有微米级的平均自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料；石墨烯具有良好的导电性，其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，同时石墨烯具有良好的透光性，是传统ITO膜潜在替代产品。石墨烯具有良好的热学性质，热导率为3080～5150W/mK。石墨烯是目前已知强度最高的材料，其理想强度为110~130GPa，是各种复合材料的理想增强体。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(AndreK.Geim)等（Science,2004,306:666）用一种极为简单的方法———微机械剥离法(Micromechanicalcleavage),在高定向热解石墨上用透明胶带进行反复撕揭,得到单层石墨烯。近几年来,人们已经在石墨烯的制备方面取得了积极的进展，除了微机械剥离法之外，发展了氧化石墨的热膨胀法和还原法、晶体外延生长、化学气相沉积和有机合成等多种制备方法。氧化石墨的热膨胀法和还原法虽然能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯,然而石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂的破坏,使其电子性质受到影响。晶体外延生长和化学气相沉积可以制备出大面积连续且性能优异的石墨烯薄膜半导体材料,而且与现有的半导体加工技术兼容,使得该方法制备出的石墨烯材料在微电子领域有着巨大的应用潜力，然而这些方法现阶段工艺仍不成熟，而且对于石墨烯最具潜力的发展方向之一——复合材料领域而言，一般所用的石墨烯不需要很大的面积，但需要很大的产量，晶体外延生长和化学气相沉积等方法在这方面难以满足需求。

氧化石墨烯是由氧化石墨经物理或化学方法充分剥离得到的层状共价化合物。石墨在H₂SO₄、HNO₃、HClO₄等强酸和强氧化剂（如KClO₄、KMnO₄等）的作用下，或电化学过氧化(overoxide)作用下，经水解后即转化为氧化石墨(GraphiteOxide，GO)。近年来，用氧化法相继研制出石墨烯／聚合物导电纳米材料和无支撑的氧化石墨纸，相关研究十分活跃。目前，制备氧化石墨技术已相对成熟，如果要从氧化石墨制备氧化石墨烯，需克服层间范德华力束缚，必须施加一定的外力，为此开发出许多制备方法，比如热解膨胀、超声波、静电斥力、机械、低温等，但从氧化石墨制备氧化石墨烯的工作仍不十分完善，要实现单层氧化石墨烯大量的、可控性制备还需不断探索新的思路和途径。

在几种石墨烯制备方法中，微机械剥离法直接利用石墨一步制成石墨烯，不使用大型精密设备，制备工艺最为简单，具有明显的成本优势；不经历化学氧化和还原过程，不经历高温膨胀过程，石墨烯缺陷少，质量好；无化学试剂的消耗，是一种绿色环保的方法。但是微机械剥离法由于效率极低，普遍被认为不可能满足未来工业化的要求。

发明内容

本发明的目的为了解决现有微机械剥离法的效率低，及不能大批量生产的的问题；而提供了高效率低成本机械剥离制备石墨烯或氧化石墨烯的方法。

方案一：高效率低成本机械剥离制备石墨烯或氧化石墨烯的方法是按下述步骤进行的：将粒径为0.05~1000μm的碳素材料粉、粒径为1nm~100μm的固体颗粒和液体工作介质混合后进行机械剥离，液体工作介质在机械剥离的工作温度下表面张力为10~73mN/m且粘度为1~1×10⁹mPa·s，剥离时间在5分钟以上，然后去除固体颗粒和液体工作介质；即得到石墨烯或氧化石墨烯；其中，所述碳素材料粉为石墨粉、膨胀石墨、可膨胀石墨或氧化石墨粉，在机械剥离过程中加入分散剂，分散剂用量为液体工作介质的0~20%。