[发明专利]一种石墨烯材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料合成领域，尤其涉及一种石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种碳原子之间呈六角环形排列的二维片状体，2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等人首次发现。石墨烯材料具有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m²/g，因而广泛应用于效应晶体管、液晶显视、电池、传感器等各领域。

目前制备石墨烯的方法主要为氧化还原法，具体为先将石墨在强酸和强氧化剂的作用下制成易剥离的氧化石墨，然后通过超声的方法形成单层的氧化石墨烯，最后再通过强还原剂还原、高温加热处理、微波辐照处理、电化学还原等还原方法将单层氧化石墨烯还原为石墨烯材料。这种方法成本低、得率高，易控制，适合大规模地工业化生产。然而由于石墨烯在还原的过程中容易发生团聚，现有化学还原法制得的石墨烯往往比表面积偏小，一般小于700m²/g。如何提高其表比面积，已经成为石墨烯材料研究领域的热点之一。

专利CN102070140A报道了一种利用强碱处理得到高比表面积石墨烯材料的方法，该方法利用强碱和碳在高温下的反应，对热处理或者微波辐照得到的石墨烯粉末进行进一步化学处理，从而快速的、大批量的在石墨烯表面腐蚀出纳米量级的微孔，极大地提高其比表面积。然而由于强碱具有强腐蚀性，采用该方法进行石墨烯的改造，会对设备产生较为严重的损害作用，而且容易对环境产生较大的负面影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术采用强碱处理提高石墨烯比表面积容易腐蚀设备产生污染的缺陷，提供一种石墨烯材料的制备方法及由该方法制得的石墨烯材料，制备方法工艺简单，成本低，不对设备与外界环境产生负面影响。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

第一方面，本发明提供了一种石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：首先，将氧化石墨加入水中，超声0.5～3小时，得到浓度为0.1~5g/L氧化石墨烯悬浮液；然后，将所述氧化石墨烯悬浮液按氧化石墨烯与磷酸溶液的质量比为1:0.5～5的比例加入到磷酸溶液中，搅拌1～3小时得到氧化石墨烯-磷酸混合液；接着，将所述氧化石墨烯-磷酸混合液放入烘箱中干燥至疏松的块状后放入反应器中，以5~20℃/min的升温速度将反应器内的温度升至500～900℃，保温反应0.5～2小时；最后，将反应器自然冷却至20～50℃后取出反应物，用去离子水洗涤后干燥，得到石墨烯材料。

优选地，所述氧化石墨采用如下步骤制得：

按质量比2：1：1的比例取石墨粉、过硫酸钾和五氧化二磷加入80℃的浓硫酸搅拌均匀后冷却6～10小时，过滤干燥，然后将滤渣加入到0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，混合后保持混合液的温度为0～10℃，接着在35～40℃下油浴2～3小时；加入去离子水，15～30分钟后再向混合液中加入过氧化氢，趁热抽滤，依次用稀盐酸和去离子水对固体物进行洗涤，抽滤并干燥固体物，得到氧化石墨。所述石墨粉与所述0℃的浓硫酸的固液比为1g：10～15mL；所述石墨粉与所述高锰酸钾的质量比为1:3～5；高锰酸钾与过氧化氢的固液比为1g:40～50mL。

优选地，所述石墨粉的纯度为90%~99.9%，粒径为50～500目。

采用上述制备方法制备的氧化石墨，其氧化程度更高，更有利其后续的剥离，氧化石墨剥离成片层的氧化石墨烯后更有利于其与磷酸的结合，可进一步提高最终产物石墨烯的比表面积。

优选地，所述磷酸溶液的浓度为50~80%。

优选地，所述反应器为火化炉、马弗炉或石墨炉。

本发明制备方法采用磷酸对氧化石墨进行处理，在200～300℃时，磷酸通过缩聚和环化的方式与氧化石墨中的含氧官能团进行交联，形成稳定的缩聚碳结构，可有效防止片层架构的团聚。当温度上升到500℃之后，具有抗氧化、耐高温能力的磷酸碳结构气化逸出，气体的溢出撑开石墨烯片层结构，防止石墨烯团聚的同时形成丰富的孔结构，进而提高比表面积，制备方法工艺简单，成本低，不对设备产生损害，也不会造成环境污染。

第二方面，本发明提供了一种石墨烯材料，所述石墨烯材料是通过上述制备方法制得的。

本发明制备的石墨烯材料经过了磷酸处理，石墨烯片层架构不易团聚，并且含有丰富的孔结构，表比面积高。

本发明提供的一种石墨烯材料及其制备方法，具有以下有益效果：