[发明专利]一种大规模制备石墨烯粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大规模制备石墨烯粉体的方法，属于无机新材料技术领域。

背景技术

2004年，英国曼切斯特大学的Andre K.Geim等制备出了石墨烯材料。从此以后，石墨烯以其独特的结构和光电性质引起广泛重视。石墨烯是一种碳原子以sp²杂化轨道成键，以六元环结构形成的单层二维蜂窝状晶格结构的碳材料。材料的结构决定了其性能，石墨烯这种独特的结构给它带来了独特的性能，比如具有极高的电子迁移率、是目前已知的机械强度最高的物质，且还具有极高的导热率和大的比表面积，这些优良的性能决定了石墨烯在众多领域的应用，如可用于锂离子电池、超级电容器、氢储藏及生物材料制品等。

目前已知的制备石墨烯的方法包括微机械剥离法、超真空石墨烯外延生长法、氧化还原法、化学气相沉积法、溶剂剥离法、电解法、溶剂热法。其中微机械法只能产生有限的石墨烯片，一般作为基础研究。超真空外延法及化学气相沉积法成本较高、工艺复杂。氧化还原法虽然可做到大规模制备，但由于氧化还原过程中，破坏了sp²杂化网络结构，造成制备得到的石墨烯缺陷较多。而溶剂热法反应时间很长且产率低，也限制了其工业化应用。

中国发明专利CN 102066245A公布了《石墨烯的制备方法》，这一方法是在碱存在下，将经过纯化、剥落的石墨氧化物用水合肼进行还原。水合肼含有毒性，易残留在石墨烯中，且除去杂质又需额外的步骤。

中国发明专利CN 101139090A公布了《一种二维单层石墨烯的制备方法》，该方法虽然能获得高质量的石墨烯，但很显然，难以做到规模化制备。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的问题，提供一种低成本且能大规模制备高质量石墨烯粉体的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大规模制备石墨烯粉体的方法，其特征包括如下步骤：

(1)将石墨加入到含有氧化剂和插层剂的混合溶液中，搅拌均匀；

(2)超声处理，同时连续通入气体He，形成插层剂和He分子插层的石墨插层化合物；

(3)过滤、洗涤至中性然后干燥，得到石墨插层化合物；

(4)空气气氛中进行热处理，实现石墨插层化合物首次剥离；

(5)将首次剥离后的石墨分散在有机溶剂中，超声处理的同时继续通入气体He；

(6)离心去掉沉淀，取上层溶液进行过滤、洗涤、烘干后即得到石墨烯粉体。

其中，

步骤（1）中，所述氧化剂选自浓硝酸、双氧水和浓硫酸；所述插层剂选自浓硝酸、双氧水、乙酸、乙酸酐、磷酸和磷酸酐；氧化剂和插层剂不同时为同一种物质。

步骤（1）中，所述石墨、氧化剂和插层剂的质量之比为0.5～1:3～8:0.1～0.8。

步骤（1）中，所述石墨在氧化剂和插层剂混合溶液中的搅拌时间为3～9h。

步骤（2）中，所述超声处理的功率为600～1200w，超声处理时间为30～60分钟；在每升氧化剂和插层剂混合溶液中气体He的通气速率为0.1～1L/min。

步骤（3）中，所述干燥的温度为60～80℃；时间为5～8h。

步骤（4）中，所述热处理的温度为400～800℃，时间为10～100秒；热处理过程中插层剂快速分解且He分子从石墨层间逸出，实现石墨插层化合物的剥离。

步骤（5）中，所述有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、甲苯、异丙醇和乙醇；有机溶剂的用量为100～1000g/g石墨。

步骤（5）中，所述超声处理的功率为600～1200w，超声处理时间为30～60分钟；在每升有机溶剂中气体He的通气速率为0.1～1L/min。

步骤（6）中，所述洗涤的洗涤剂为乙醇和去离子水的混合溶液。

步骤（6）中，所述烘干的温度为80～100℃，烘干时间为15～24h。

本发明的技术效果及优点在于：

1、首次引入He气体分子插层，较为安全环保，且操作简单；

2、设备简单、生产步骤少、产率高，适合大规模生产；

3、制得的石墨烯粉体缺陷少、导电性好。

附图说明

图1实施例1不同插层时间、相同含量He原子辅助插层得到的插层石墨的Raman光谱图

图2实施例1稀释后的少层石墨烯分散液的丁达尔现象

图3实施例1所制得的石墨烯分散液的Raman光谱图

图4实施例1所制得的石墨烯的SEM图