[发明专利]一种高浓度小片径石墨烯分散液的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是纳米新材料技术领域，具体是一种高浓度小片径石墨烯分散液的制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年被英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中分离出的一种由单层碳原子精密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构新材料，其具有很多优异的性能，例如高的电子迁移率2×10⁵m²/(V·s)、超高的导热性能5000W/(m·K)、超大的比表面积2630m²/g(理论计算值)等，故一直受到来自物理和材料领域研究者的普遍青睐，被研究应用于电池，电容器，场效应晶体管，传感器，机电谐振器，聚合物纳米复合材料，电化学装置，和光发射装置等新兴、传统领域。

近年来，制备高分散的、高浓度、亲水或亲油和导电优异的石墨烯有着巨大的应用需求。目前研究者们遇到的一个主要的问题就是，由于纳米效应，石墨烯的片层与片层之间易形成范德瓦耳斯力作用，这导致石墨烯很难在高浓度下，长时间稳定存在液体中，石墨烯基础材料的实际应用被大大受限。研究者们在石墨烯分散课题方面不断探索，探索方向主要分为两大类，一类研究石墨烯的直接分散，另一大类是研究将石墨烯先氧化处理后再进行的分散。这两大类方法都各有利弊。石墨烯直接分散的方法，对石墨烯完整的共轭结果破坏较少，能保持石墨烯的优异性能，但是由于缺乏良好的界面结合能力，很难做到高浓度稳定分散的石墨烯分散液，例如Umar Khan等人（Khan U,O'Neill A,Lotya M,et al.High‐Concentration Solvent Exfoliation of Graphene[J].Small,2010,6(7):864-871.）研究了一种制备高浓度石墨烯分散液的方法，所制备分散液浓度能够达到1.2mg/ml，单层含量能够达到4%。这种方法依赖于在N-甲基-2吡咯烷酮中长时间低功率的超声，超声时间最长达460h。但分析观察得到片层的平均尺寸依然在1um以上，长时间的超声不利于工业化的应用。Mustafa Lotya（Lotya M,King P J,Khan U,et al.High-concentration,surfactant-stabilized graphene dispersions[J].ACS nano,2010,4(6):3155-3162.）利用表面活性剂胆酸钠、在水中低功率长时间超声来剥离分散石墨烯，所得石墨烯分散液浓度能够达到0.3mg/ml，这种方法得到的石墨烯分散液的浓度依然难以满足应用需求，且表面活性剂的添加影响了石墨烯导电性能。

而将石墨烯先氧化再分散的方法拥有一大优势，氧化后石墨烯的表面含有很多含氧的极性基团，这些极性基团的存在能使得石墨烯片层和溶剂产生较强的相互作用力，以高浓度分散在溶剂中。这种方法弊端就是会产生较多缺陷，影响石墨烯优异的导热导电性能。例如Folke Johannes实验组（F J,Fabritius M,Mülhaupt R.Emulsifier‐Free Graphene Dispersions with High Graphene Content for Printed Electronics and Freestanding Graphene Films[J].Advanced Functional Materials,2012,22(6):1136-1144.）在不使用任何表面活性剂的条件下，经过氧化、高温还原、高压均质机的过程，能够得到浓度高达15mg/ml的还原氧化石墨烯分散液，且分散液可制备导电有韧性的薄膜。但其分散液制备的薄膜受到缺陷的影响，并未表现出石墨烯应有的优异电学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高浓度小片径石墨烯分散液的制备方法，通过此方法制得的分散液既能够达到高浓度，满足应用需求，又能够保证石墨烯的良好导电性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高浓度小片径石墨烯分散液的制备方法，通过如下步骤实现：

1)首先将石墨粉用Hummers法将其氧化得到氧化石墨；

2)然后将此氧化石墨还原，得到还原氧化石墨；

3)将上述制备出的还原氧化石墨和溶剂混合在一起得到浓度为0.01-10mg/ml的还原氧化石墨悬浮液，将此还原氧化石墨悬浮液装入球磨机的球磨罐中进行球磨，通过球磨将还原氧化石墨片层剥离破碎；其中，球磨机转速控制在30-500转/分钟，球磨时间为2～300小时；