[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学材料领域，尤其涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：1，高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，断裂强度：(125GPa)；2，高热导率，(5,000W/mK)；3，高导电性、载流子传输率，(200,000cm²/V*s)；4，高的比表面积，(理论计算值：2,630m²/g)。尤其是其高导电性质，大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。到目前为止，所知道的制备石墨烯的方法有多种，如：(1)微机械剥离法；这种方法只能产生数量极为有限石墨烯片，可作为基础研究；(2)超高真空石墨烯外延生长法；这种方法的高成本以及小圆片的结构限制了其应用；(3)化学气相沉积法(CVD)；此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。(4)溶剂剥离法；此方法缺点是产率很低，限制它的商业应用；(5)氧化-还原法；整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨剥落产生的石墨烯氧化物，再通过化学或热还原为石墨烯；此方法合成的石墨烯较容易产生缺陷；(6)电解法；此方法可合成大量的石墨烯，但是合成出的石墨烯的表面均带有大量的正离子或负离子或有机物；(7)溶剂热法；此方法合成的石墨烯纯度较高，但是反应时间相对较长；(8)微波法通过控制微波加热的功率、时间等参数，可容易地调整对石墨处理的强弱程度；此外，微波法开停方便，具有高效和节能的优点，此方法需要对石墨烯做前期处理。

然而，根据K.Naoil的理论(Fuel Cells.，2010，0，1-9，“Nanohybrid Capacitor’：The Next Generation Electrochemical Capacitors)，石墨烯的纯度对于石墨烯电极材料的电压有着极大的影响，从而影响超级电容器的性能。因此，寻找到高产率、高纯度石墨烯的制备方法是一个急需要解决的问题。

目前常用的水热法(Carbon 45(2007)1558-1565，Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide)还原石墨烯主要采用水合肼作为还原剂，而水合肼含有毒性，且残留在石墨烯产品中，除去相应的杂质还需相应的步骤，而采用尿素或乙酸铵作为还原剂，水热后分解成相应的气体，不会对石墨烯造成污染，而且使工艺得到简化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高产率、高纯度，且制备工艺简单的石墨烯的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将石墨(如，平均直径300μm、纯度99％的膨胀石墨)置于反应器中，随后往反应器中通入还原气体(如，氢气、体积百分数数5％和95％氢气和氩气的混合气)去除反应器中的氧气，并加热至800-1200℃进行加热处理60s，冷却，得到石墨粉体；

(2)、将(1)中的石墨粉体加入二甲基甲酰胺(DMF)或五氟苯腈中，再加入尿素或乙酸铵(其中，石墨与尿素或乙酸铵的质量比为2∶1)，搅拌均匀，得到混合溶液，然后将混合液放入石英反应釜中；

(3)、将(2)中的石英反应釜放入微波反应器(如，微波炉)中，调节微波的功率到400-800W，在180℃-300℃的温度下加热5-15min；

(4)、将(3)中的石英反应釜冷却至室温，并以600rpm的速率超声90分钟微波处理过的混合溶液；随后滤出沉淀物，并用丙酮和乙醇反复清洗，接着在80℃的真空干燥箱中干燥，冷却，得到产率可到达10-15％的石墨烯。

本发明提供的一种石墨烯制备方法，具有如下优点：

(1)、将溶剂热法和微波法这两种方法相结合，在得到高纯度石墨烯的同时，具有高效和节能的优点；

(2)、采用的设备简单，操作方便，生产步骤少，适合于大规模生产；

(3)、避免使用水合肼等有毒害的试剂。尿素或乙酸铵分解能提供氨气，能够对石墨烯中的缺陷进行修复，提高石墨烯的电导率，所合成的石墨烯作为电极材料可应用与超级电容器中。

附图说明

图1为本发明石墨烯制备方法的工艺流程图；