[发明专利]一种快速制备大量层数可控的高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及石墨烯的制备，特别涉及石墨烯的快速大量制备。

背景技术

    碳材料以其独特的性质和多样的形态，成为当今新型材料之中的佼佼者，广泛应用于化工、核能、电子、冶金、机械、宇航等各个行业。石墨烯具有奇特的二维层状晶体结构，因此具有许多优异的性能，如较高的杨氏模量、热导率、较高的载流子迁移率、巨大的比表面积、铁磁性等，使得石墨烯成为化学、物理学及材料科学的研究热点，并被预测在复合材料、电子器件、储能和传感器等领域，具有广泛的应用前景。

    为了推进石墨烯在各领域中的应用，快速制备出高质量的石墨烯是问题的关键所在。自2010年英国的两位科学家因为石墨烯的工作获得了诺贝尔物理学奖以来，短短三四年时间，它已成为材料科学和物理学领域最活跃的科学前沿。尽管有关石墨烯的研究非常多，但是如何大量获得高质量的石墨烯仍存在很多问题。由于石墨烯的性能和其层数密切相关，不同层数的石墨烯表现出不同的性能。单层和双层的石墨烯只有电子和空穴两种载流子，3~10层的少层石墨烯有多种载流子。因此，如何大规模制备层数可控的高质量石墨烯是使石墨烯产业化并应用于各领域中的前提和保障。

    目前石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、氧化还原法、碳化硅外延生长法、碳纳米管切割法等。其中机械剥离法可以制备出能保持完美晶体结构的石墨烯片层，广泛用于科研工作中，但是制备周期长，产率低，无法实现规模化制备，不能用于工业化生产中；化学气相沉积法工艺简单，易于图案化，但效率低，产量少，且转移性差、可控性差；碳化硅外延生长法可以获得大面积的单层石墨烯，并且质量较高，但产量低且造价昂贵；碳纳米管切割法原料昂贵且对设备的依赖性高，效率低，也不是适宜大规模制备石墨烯的方法。成会明等在《一种层数可控的高质量石墨烯的制备方法》（CN101993061A）中采用纯氢气或氢气和氩气的混合气在300~1000℃的氛围下将氧化石墨还原20min~10h，再通过高速离心的方法（6000~30000rpm）去除尚未完全剥离的石墨和厚石墨片，得到层数可控的石墨烯，但是此方法对设备要求高，还原时间较长，且氢气作为易燃气体，在高温下反应较危险且成本高，不是适宜大规模制备石墨烯的方法。于娟等在《一种利用氧化石墨快速大量制备石墨烯的方法》（CN102502611A）中采用微波解离的方法快速制备石墨烯，但是此方法对石墨原料的预处理时间长达数小时，且得到的石墨烯层数不可控，分布不均匀，影响了产品整体的质量。

发明内容

    本发明的目的在于解决Hummers法制备氧化石墨过程中存在的氧化程度不均匀问题，提供了一种快速制备大量层数可控的高质量石墨烯的方法，通过控制石墨层间插入的羟基、羧基等含氧官能的数量，再用微波解离，简单易操作。

本发明的技术方案：一种快速制备大量层数可控的高质量石墨烯的方法，包括用石墨为原料，采用Hummers法制备氧化石墨，将Hummers法制备氧化石墨将加完双氧水后的溶液高速离心至中性，然后再将混合液体以500rpm~4000rpm中的任一转速离心20min~40min得到相应氧化程度的氧化石墨，取上层液体，将得到的上层液体和离心瓶中残余的氧化石墨干燥后撕成1cm²的碎片放置于氧化铝陶瓷坩埚内，用胶带将坩埚盖固定好并用针扎一定的空隙使得坩埚内外有空气流通，真空微波还原氧化石墨，反应结束后，释放真空后得到蓬松絮状的相应层数的氧化石墨烯。

所述的石墨为人造石墨或天然鳞片石墨，尺寸为30~600μm。

所述的真空微波时，真空度为0.1MPa以内，微波功率为4~6kW，作用时间为5~10s。

所述的高速离心是在8000rpm的转速下离心。

所述的采用Hummers法制备氧化石墨的具体步骤为：

（1） 用三口烧瓶将质量分数为98%的浓硫酸冰浴，控制浓硫酸的温度在3℃以下，将1份质量的石墨缓慢加入到浓硫酸中，石墨与浓硫酸的比例为1g：(23~50)ml，搅拌5min后，缓慢加入0.5~2份质量的硝酸钠，继续搅拌5min，再缓慢加入3~6份质量的高锰酸钾，在3℃以下搅拌15min~4.5h，将反应体系的温度调至35℃，在35℃继续搅拌1~2h，用恒压漏斗向反应体系中缓慢加入46ml~100ml的去离子水，保证滴水速度在1~2滴/秒，加完水后将反应体系温度升至95℃，在95℃继续搅拌15~60min后停止加热；