[发明专利]一种制备石墨烯粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种规模化制备石墨烯粉体的方法，属于新型纳米材料技术领域。

背景技术

石墨烯优异的导电和导热性能、超高的力学强度、独特的气阻性、高比表面积和表面活性使其能够超越碳纳米管成为新一代功能材料。石墨烯粉体可以作为高分子填料提高复合材料的导电性能，因此可以用于抗静电高分子，也可以用于电线电缆的电屏蔽等国家的重大产业；石墨烯粉体作为高分子的添加剂可以成百上千倍地提高高分子体系的力学强度，如在聚苯硫醚中均匀分散石墨烯，而聚苯硫醚可以用于飞机制造，因此未来大飞机也可能会用加入石墨烯粉体材料。而鉴于高分子材料在工业和民用方面巨大的使用量，随着石墨烯在不同高分子中应用的不断开发，未来几年内石墨烯的需求量将与日俱增。

和其他纳米材料一样，能否大规模的制备是制约其应用研究的关键因素。目前高质量的石墨烯粉体价格是1000美元每克，是黄金价格的十倍以上，这对于工业界的应用研究而言是个致命的打击。检索专利和文献发现，目前国内外绝大多数相关技术都是制备石墨烯溶液，然后将溶液中的分散体通过离心或过滤得到块体。CN200910193873.8《一种生产石墨烯的方法》公开了一种生产石墨烯的方法，在有机溶剂中对石墨粉进行湿法球磨；湿法球磨所用的磨球的表面包裹有软质的聚合物，利用软质聚合物与石墨之间的摩擦力改善磨剥效果，但这种方法球磨时间长，能耗高，还要对球磨产物进行复杂的分离。CN201010179119.1《高效率低成本机械剥离制备石墨烯或氧化石墨烯的方法》采用了类似的方法。CN 200910077131.9《石墨烯的制备方法》以金属钠和卤代烃为原料，通过在惰性环境下在溶剂中进行反应制备石墨烯，也有文献报道使用钾与有机溶剂反应实现石墨烯，这种制备路线最大的缺点是卤素钠和钾等化学性质活泼，存储和制备过程都存在很大的危险，同时制备过程也难以控制没，因此难以实现高产率的单层石墨烯。CN200910052042.9《电子束辐照法制备石墨烯基纳米材料的方法》使用一定剂量的电子束辐照将氧化石墨还原，得到石墨烯纳米材料，但在还原过程中石墨烯团聚，干燥后需要经过研磨才能转变为粉体，并且这种粉体在微观上还是团聚的。其他方法，如专利200910050318.X《一种简单无毒制备单层石墨烯的方法》、200910054919.8《基于抗坏血酸的石墨烯制备方法》、200910099595.X《一种石墨烯的溶液相制备方法》、200910017788.6《一种功能纳米石墨烯的制备方法》和200910070735.0《单片层石墨烯的制备方法》等，得到也是石墨烯溶液或团聚体，而要想使这种只有一个原子层厚度的石墨烯薄片团聚后再均匀分散开来十分困难。目前报道较多的一种方法是快速热处理氧化石墨烯法，2010年发表在Small上关于石墨烯的综述Graphene oxide，highly reduced graphene oxide，and graphene：Versatile building blocks for carbon-based materials，只提及了在1050℃以大于2000℃/min的升温速率处理氧化石墨烯是制备石墨烯粉体主要方法，同样CN200880101275.7《制备层状剥离石墨烯的高效率方法》利用快速热处理剥离氧化石墨直接得到大比表面积的石墨烯，但由于快速热处理过程中存在处理量少并受热不均匀等缺点，最终制备的粉体虽然比表面积很高但微观上团聚严重。这种方法的另一个缺点是体积200到500倍的快速膨胀使过程难以控制，产物难以收集。CN201010179339.4《一种制备干态石墨烯粉末的方法》，首先将石墨烯制备成悬浮液，再冷冻干燥成粉体。这种冷冻干燥的技术能够得到干态粉体，但耗时很长，并且冻干过程中石墨烯薄片还是要相互连接到一起，需要重新分散。

综上可见，目前在实验室微量制备石墨烯一般是通过离心或抽滤方法实现的，所制备的产物难以在溶剂中重新均匀分散。而快速热处理法和冷冻干燥法还有需要改进的地方。目前还没有简单的的规模化制备无团聚石墨烯粉体方法的报道。

发明内容

本发明针对技术背景中所阐述的现有制备技术的不足，提供一种规模化制备石墨烯粉体的方法，彻底解决现有技术中制备石墨烯粉体的团聚问题，使所制备的石墨烯粉体很容易分散到溶剂中，并且所提供的方法能够实现石墨烯粉体的大规模制备。