[发明专利]一种低温热解膨胀制备高比表面积石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过膨胀剥离法获得石墨烯的方法，特别是一种通过低温热解膨胀剥离氧化石墨制备高比表面积石墨烯的方法，制备得到的石墨烯可用于锂离子电池负极材料，属于石墨烯制备技术领域。

背景技术

2004年，英国Manchester大学A.K. Geim组（Science 2004, 306 (5696), 666-9.）用力学剥离方法制备出石墨烯(Graphene)材料，后来发现其大的比表面积、高的电子迁移率、较小的质量密度、高的热稳定性和化学惰性等优异的性能可以在纳米电子器件及机械制造中发挥良好的作用。然而，目前文献报道制备石墨烯的常用方法却存在产量低、耗时长，如微机械分裂法；对设备要求高、能耗大，如还原SiC法（Science 2006, 312 (5777), 1191-1196.）。

石墨烯在最新一代的绿色高能充电电池——锂离子电池中的应用逐渐成了锂电池研究发展的新方向，也成为石墨烯最有利用价值的新方向。在锂离子电池负极材料的发展历史中，金属锂作为锂离子电池的首个负极材料带来在使用过程中形成锂枝晶而引起安全问题（Science,1995, 270, 590.），石墨取代金属锂被用于锂离子电池却大大降低了电池能量密度(J Power Sources, 2003, 119-121, 528-537)，碳纳米管独特的管状结构在改性石墨电极材料中有望改进电池比容量，使得首次不可逆比容量增加（电池，2006，1，53），而石墨烯在作为锂离子电池的负极材料中，不仅可以解决锂枝晶引起的安全隐患、电池能量密度低、首次不可逆比容量高等缺陷，还可以提高锂离子电池的比容量。

本发明利用低温热解膨胀剥离氧化石墨制备石墨烯的方法不仅避免了耗能大，对设备要求高等不足，而且还能得到比表面积高，尺寸分布均匀，结构可控的石墨烯材料。在本发明中，通过测量石墨烯作为锂离子电池负极材料的电池性能指标，来检测通过低温可控热解膨胀方法制备的石墨烯的性能差异。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、低耗能、大规模制备高比表面积，尺寸分布均匀，结构可控的石墨烯的方法，该方法利用Hummers方法获得的氧化石墨在较低温度下，惰性气体保护下热解膨胀制备石墨烯，该石墨烯用作电极材料可大大提高锂离子电池的比容量。

本发明的实现过程如下：

一种低温热解膨胀制备高比表面积石墨烯的方法，其技术关键在于：惰性气体保护下，将氧化石墨在260～800℃热解膨胀，制备得到的石墨烯比表面积大于380m²/g；最好是将氧化石墨在260～500℃热解膨胀，可制备得到比表面积大于420m²/g石墨烯；所述惰性气体为氩气或氮气。

上述氧化石墨通过Hummers方法获得，具体制备方法包括如下步骤：

（1）将石墨溶于浓硫酸及浓硝酸的混合溶液中；

（2）将高锰酸钾加至上述溶液中；

（3）依次在-10-10℃、30-40℃和85-95℃分别反应0.5-2.5小时，然后加入石墨质量80-200倍的去离子水；

（4）将上述溶液冷却到室温，加入石墨质量10-30倍的过氧化氢溶液洗涤；

（5）离心、干燥、研磨、过筛，得到氧化石墨粉末；

上述反应物质量体积比为：石墨：高锰酸钾：浓硫酸：浓硝酸=

（0.5～1.5）：（5～7）：（85～95）：（20～30），其中石墨和高锰酸钾以克计，浓硫酸和浓硝酸以毫升计。

实验发现，加入高锰酸钾后的溶液在-10-10℃反应2小时可达到最大比表面积。

上述石墨为分析纯，粒径为4～25μm。

本发明优点与积极效果：（1）在较低的温度下，制备得到的石墨烯比表面积高，尺寸分布均匀，结构可控；（2）本发明方法耗能低，成本低，可用于大规模生产；（3）高比表面积的石墨烯用于锂离子电池负极材料，大大提高了电池的比容量，且循环使用100次后，比容量稳定在500mA·h/g以上。

附图说明

图1 氧化石墨的热重（TGA）及差示扫描量热（DSC）曲线；

图2 氧化石墨及在不同温度下制备得到的石墨烯的扫描电镜照片，其中a、b、c、d分别为氧化石墨和300℃、600℃、800℃的膨胀温度下的石墨烯的SEM照片；

图3 不同温度下石墨烯的透射电镜照片，其中a、b、c分别为300℃、600℃、800℃的膨胀温度下的石墨烯的TEM照片；