[发明专利]一种常温下石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备技术，具体为常温下温和制备石墨烯的方法。

背景技术

“石墨烯”这个术语很早之前便被提出，用来定义插层石墨化合物中独立的一层二维碳原子层。在一阶插层的结构中，二维碳原子层和插层物相邻，这种结构中的单层碳原子被叫做石墨烯。理论上，石墨烯曾被认为由于在非绝对零度下热振动引起涨落的不同，导致碳原子的涨落位移与原子间距相当，致使其热力学不稳定，无法在非绝对零度下存在。直到2004年，曼彻斯特大学的A. K. Geim教授采用胶带剥离法制备出独立存在的石墨烯，并且测试了其独特的物理性质，这种二维纳米炭材料才引起了全世界科学家的广泛关注和极大兴趣(Science 2004, 306: 666.)。

石墨烯的特殊结构赋予了石墨烯很多优异的性能，如：奇特的量子霍尔效应、高杨氏模量（～1,100 GPa）、高弹性模量（130 GPa）、热导性能好（～5,000 Wm^-1K^-1）、电子迁移率高（200,000 cm²V^-1s^-1）、高比表面积（理论计算值，2,630 m²g^-1）、透光性好、易于功能化等。这些优异的性能也使石墨烯在纳电子器件、透明导电膜、电极材料、复合材料等很多领域有着广阔的应用前景(Nat. Mater. 2007, 6, 183； Science 2009, 324, 1530.)。但是目前石墨烯还不能宏量制备，昂贵的价格严重阻碍了石墨烯的应用进程。因此，如何宏量制备高质量、结构可控且价格低廉的石墨烯已成为目前石墨烯应用开发方面的主要瓶颈，也是急需解决的问题。

目前制备石墨烯的方法主要有机械剥离法、SiC 基底表面外延生长法、化学气相沉积法及液相化学法。这几种方法各有优缺点，相比较而言，液相化学法对生产设备相对要求简单，可以制备相对宏量的样品，是目前实验室比较常用的制备石墨烯的方法。化学法制备石墨烯主要采用改性Hummers法，先得到氧化石墨，通过超声分散得到氧化石墨烯，然后再通过还原的方法得到石墨烯，这种方法制备工艺繁琐，并且容易产生大量的化学废液，不利于节约生产成本及环保。此外，化学氧化过程中会产生很多缺陷，从而严重影响石墨烯产品的品质。插层法由于工艺简单，在制备的过程中不会产生强氧化，是宏量制备高质量石墨烯的最有潜力的方法之一。近两年来，逐渐有了关于插层法制备石墨烯的报道，但是目前所报道的插层方法中还存在一些问题，不利于规模化制备石墨烯。其中通过卤素或金属卤化物进行插层的方法中，制备前物料的混合需要在手套箱中进行，且制备的石墨烯样品中卤素不好去除；另一种通过氯磺酸制备石墨烯，由于氯磺酸是强腐蚀性酸反应剧烈，且反应过程中会释放大量的热，不利于石墨烯的宏量制备。因此，目前石墨烯的宏量制备仍然是影响石墨烯规模化应用的一个关键问题，如果能够发明一种简单、快捷、高效的方法制备出宏量的石墨烯，对于石墨烯的应用具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室温条件下温和制备石墨烯的新方法。

本发明提供了一种室温下温和制备石墨烯的方法，该方法采用不同目数的天然鳞片石墨为原料，利用浓硫酸、过硫酸盐以及双氧水在室温条件下对石墨进行插层，石墨在静置插层的过程中会同时进行膨胀剥离，该过程无需加热、无需搅拌。然后采用超声的方法剥离石墨烯聚集体结合原位冷冻干燥得到高质量石墨烯。

一种常温下温和制备石墨烯的方法，其特征在于具体步骤为：

A石墨的插层膨胀：采用不同尺寸天然鳞片石墨为原料，将浓硫酸、过硫酸盐及双氧水在室温条件下一次加入其中，对石墨进行氧化插层同时进行膨胀剥离生成石墨烯聚集体；

B石墨烯聚集体的清洗：将膨胀的石墨烯聚集体用清水反复清洗，直至水的pH=7；再进行原位冷冻干燥；

C石墨烯聚集体的分散与收集：将干燥的石墨烯聚集体放入有机溶剂中采用超声分散的方式将其进行进一步剥离；经过离心分离后再进行原位冷冻干燥得到石墨烯。

在A步骤中，石墨进行氧化插层的整个过程不需加热或搅拌，在静置的条件下即可完成。石墨在插层过程中同时进行膨胀剥离，生成石墨烯聚集体。该过程自发完成，反应温和，无剧烈放热，无危险性。

在B步骤中，进行原位冷冻干燥，是为了避免石墨烯聚集体再团聚。

在C步骤中，为了避免剥离后的石墨烯团聚，经过离心分离后再进行原位冷冻干燥。