[发明专利]一种石墨烯的低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的常压低温制备方法，属于新型碳材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯作为一种二维平面结构的新型碳材料，它因为具有优越的电子传输性能、高的比表面积、超高的导热性和导电性，因而具有很多潜在的用途，比如超级电容器材料、液晶器件、电催化剂、传感器等。

石墨烯通常有以下制备方法：机械剥离法、气相沉积法、（电）化学还原剥离氧化石墨法、高温膨胀剥离氧化石墨法等。其中，高温膨胀剥离氧化石墨被认为最有希望用于石墨烯大量生产，但氧化石墨的膨胀剥离的起始温度超过550℃，一般均要在900～1100^oC惰性气氛或者真空条件下进行，这不仅导致制备条件苛刻，而且能耗很高。最近有研究者通过高真空辅助，实现了氧化石墨的低温剥离，但是，由于氧化石墨膨胀剥离是一个大量产气的过程，这显著增加了高真空度获得的难度，因而该方法不适合石墨烯的批量生产。此外，对于以氧化石墨为原料制备石墨烯，还存在氧化石墨本身的制备困难。

可见，现有石墨烯的制备技术或者工艺复杂、或者需要昂贵还原剂、或者温度太高、或者能耗高甚至存在爆炸风险等。因此尚需进一步发展成本低、适合批量生产的石墨烯制备技术。

 

发明内容

针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯的低温制备方法。

本发明对氧化石墨向石墨烯的转化过程进行了探索。研究表明，当分离浸于硫酸溶液中的氧化石墨时，在保留固体分离产物中硫酸的情况下，所得到的氧化石墨与硫酸的复合物团聚块可以在非常低的温度下快速膨胀，膨胀产物为石墨烯。基于这一重要实验发现，本发明提供了一种低成本、少污染、条件温和的石墨烯制备新方法。该方法可实现石墨烯的低温制备、工艺简单、适合批量生产。所制备的石墨烯材料具有很高的电化学充放电容量。

本发明提供的具体的技术方案是：

一种石墨烯的低温制备方法：将氧化石墨与硫酸的复合物在常压或负压下，在50～400℃进行热处理，使氧化石墨转化为石墨烯。

所述的氧化石墨与硫酸的复合物是将氧化石墨在硫酸溶液中浸泡，固液分离后得到的复合物。

所述的氧化石墨与硫酸的复合物也可以在含有硫酸的体系中将石墨氧化处理为氧化石墨后，经过固液分离得到的复合物。

上述方案中，优选地，热处理时间为0.5～40分钟。

上述方案中，在氧化石墨与硫酸的复合物中，优选地，硫酸中的硫元素占氧化石墨与硫酸总质量的1%～9%。

上述方案中，氧化石墨与硫酸的复合物的热处理可在空气、氮气、氩气、氧气、氢气、二氧化碳、氨气中的一种或者多种气氛中进行。

上述方案中，热处理过程的加热方式包括电热、微波、太阳能或红外加热。

所述氧化石墨与硫酸的复合物，其中硫酸可以是吸附于氧化石墨之中，也可以是以硫酸分子的形式嵌入氧化石墨晶格之中形成夹杂化合物，或者二者兼而有之。氧化石墨与硫酸的复合物主要以表观固态形式存在。由于硫酸及高比表面活性的氧化石墨均具有强吸水性，氧化石墨与硫酸的复合物中会含有适当水分，并随液相的增多形成固液复合的存在形式。

本发明方法中，硫酸的存在对于复合物在较低温度下迅速膨胀转化为石墨烯的作用是明确的。实验表明，当进一步洗涤复合物除去其中的硫酸至滤液难以用钡离子检测出硫酸根的存在时，所得到的氧化石墨材料在400 ^oC及以下均未实现膨胀，也没有转化为石墨烯。而在硫酸存在的条件下，氧化石墨与硫酸复合物的团聚块在70～400℃的温度区间能发生快速膨胀。热处理完成后，产物经水洗后检测为石墨烯，表明发生了氧化石墨到石墨烯的化学转化；而滤液成酸性，且含硫酸根，表明热处理过程中硫酸主要起脱水、催化作用，因而，该方法同样适于尺度更小的氧化石墨（包括通常所述的氧化石墨烯）向石墨烯的转化。对于颗粒尺寸非常小的氧化石墨烯，其本身具有很大的质量比体积，其转化温度可以更低，但不会观察到明显的体积膨胀现象。

使用本发明方法制备石墨烯时，含有硫酸或其他强氧化剂的体系中将石墨粉处理为氧化石墨后，直接过滤，或者用水稍加洗涤后烘干既可。该洗涤过程可以快速进行，这得益于本发明方法为实现氧化石墨向石墨烯的低温转化，硫酸在复合物中含量不可或缺，适当提高复合物中的硫酸含量有利于降低热处理温度,因而无需彻底洗涤除去。