[发明专利]化学法插层剥离石墨大量制备高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属石墨烯材料的技术领域，特别涉及一种用化学方法插层剥离石墨制备石墨烯的方法，具体涉及了插层石墨的层间物与另一种或几种试剂剧烈反应并释放气体将石墨片层撑开的剥离手段大量且廉价的制备石墨烯的方法。

背景技术

自2004年石墨烯问世以来，由于其极为优异的电学性质受到了非常广泛的科学关注。例如，它的载流子传输行为与相对论中的中微子相似，室温下可观测到量子霍尔效应，两极场效应等。并且，石墨烯独特的物理和机械性能更加拓宽了其应用的空间：极高的杨氏系数，热传导系数高达5300W/mK，理论比表面积高达2630m²/g，而且能隙可调，几乎全透明，只吸收2.3％的光，及其他多种优异的性能。在不久的将来，石墨烯可能被用来制备出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电子晶体管。而且由于石墨烯的良好的透光性和导电性，也适合用来代替ITO制造透明触摸屏、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯良好的机械性能已经被应用到热缩材料或是薄膜材料中提高抗拉伸能力。由于石墨烯被认为是至今发现的最硬的物质，所以一些科研工作者已经在研制由石墨烯做成的防弹衣，这样的防弹衣更轻更薄，将会大幅度的减少士兵负重。石墨烯极高的理论表面积，使它作为催化剂的载体材料应用于催化领域，不仅如此，它极高的电导率可以促进光电子的转移，提高激子寿命，很好的提高光催化效率，被应用于光催化领域。

自2004年发现石墨烯到2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔奖，石墨烯发展的速度大大超过了当年富勒烯发展的速度，因此石墨烯的需求也越来越多，在实验室中制备的产量已经不能满足在一些应用领域的需求。我们认为，同富勒烯、碳纳米管并称为三大特种碳材料的石墨烯将会与前二者一样有着广阔的应用空间，不论是在民用还是军用领域其前景都是无可限量的。所以可以预期的是，石墨烯的需求也将随着其应用领域的扩展而不断增大。因此一个廉价且高产量的制备高质量的石墨烯的手段是十分必要的。如今石墨烯的制备主要有以下几种方法，机械剥离法，碳化硅还原法，外延生长法，金属催化气相沉积法，电化学电解碳电极法，碱金属插层膨胀法，碱金属还原乙醇法，微波法，氧化石墨热膨胀剥离法。在众多的方法中，都有着不可忽视的弊端，有的方法成本太高，产率又太低，有的方法产率高但石墨烯的品质太差，缺陷多，而且实验的稳定性不好控制，而且大部分的方法都能耗很高。

发明内容

本发明的目的在于开发一种低成本高产量制备高质量石墨烯的方法，该制备方法简单易行，适宜大规模生成，低能耗，具有广泛的应用前景，利用该制备方法获得的石墨烯具有很高的电导率，极少的缺陷，没有杂质或是分子吸附在石墨烯表面。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：将石墨进行化学插层，然后在固相或是液相中，插层在石墨中的化合物与其他加入的试剂进行剧烈的化学反应，释放出气体将石墨撑开剥离成石墨烯。这样得到的石墨烯没有经过氧化还原的过程，缺陷更少，电导率更高，接近理想态。

本方法的主要过程只经历了一步反应就完成了石墨烯的剥离，过程非常简单，而且不需要加热，能耗低。并且得到的石墨烯不需要长时间超声处理，对设备要求不高，且节能。石墨烯的制备仅在石墨的酸液混合物中滴加另一种反应物就可以完成，反应时间很短，适合工业生产。得到的石墨烯比表面积在200-800m²/g之间，均在5层以下，单层石墨烯所占比例在25-40％之间。导电率高于商品化的膨胀石墨，用万用表测得电阻为0.5-5欧姆。

上述制得的石墨烯氧含量仅有1.63％，是现有的以石墨制备石墨烯方法中，氧含量最低的。

并且按照上述的实施方案，经过化学插层后，也可以通过固体混合物加热的方式来制备石墨烯。同时也可以将固相反应后的石墨烯再进行液相的反应，从而能够更好地剥离，得到更多更薄的石墨烯。

本发明所述的化学插层石墨剥离制备高质量石墨烯的方法，可以分为固相法和液相法，具体步骤描述如下：

首先介绍固相法：

将一定质量的石墨粉或鳞片石墨浸泡于混酸溶液中，混酸一般按一种强吸水性浓酸与一种氧化性浓酸按照一定的比例混合，并加入过量的一种或是几种极性插层剂，搅拌6-24小时；然后将上述混合物用水清洗，直至洗出液的pH为5～7，60摄氏度烘干，烘干后的样品在600-1000w微波功率的微波装置中微波处理0.5-2分钟，得到的低含氧高膨胀的石墨，分散到水中或是有机溶剂中，在细胞粉碎器超声作用30分钟后即可得到石墨烯。