[发明专利]一种石墨烯粉体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种石墨烯粉体材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种二维碳材料，每个碳原子以sp²杂化形成共价键的方式与另外3个碳原子相连，继而排列成为蜂窝状的晶格。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄的二维材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理和化学性质。石墨烯的抗拉强度可达50～200GPa，弹性模量可达1TPa，是钢的100多倍，是目前可制备出的具有最高比强度的材料；其载流子迁移率达1.5×10⁴cm²·V^-1·S^-1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，是商用硅片迁移率的10倍，在特定条件下，其迁移率甚至可高达2.5×10⁵cm²·V^-1·S^-1；石墨烯的热导率可达5×10³W·m^-1·K^-1，是金刚石的3倍；另外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应（Hall effect）及室温铁磁性等特殊性质。石墨烯的这些优异特性使得它可用于制备具有超高的力学强度、弹性、抗疲劳及许多其他具有优异性能的高分子复合材料，另外在电学、能源、生物传感等领域都有广泛的应用价值。

然而，石墨烯优异的物理化学性能是基于单层石墨片的性质；在构筑石墨烯基复合材料时，石墨烯在基体中的高度分散是制备高性能复合材料的关键。但是，由于石墨烯高的比表面积和层与层之间强的范德华力作用，导致石墨烯片层间很容易团聚或者重新堆垛成石墨结构；且由于石墨本身在水中和有机溶剂中皆不分散，从而限制了其进一步的应用。因此，如何高效改性或者修饰石墨烯粉体材料，使之能够应用于实际的生产中成为当前石墨烯研究的重要课题。

目前，制备石墨烯的方法主要采用物理方法和化学方法。其中，物理方法起源于Manchester大学Geim领导的研究组2004年采用机械剥离法制备得到了最大宽度可达10μm的石墨烯片（Novoselov K.S.;Geim A.K.;Morozov S.V.;Jiang D.;Zhang Y.;Dubonos S.V.;Grigorieva I.V.;Firsov A.A.Science,2004,306(5696):666-670）。但是，这种方法重复性差，产率也很低，不适合大规模的生产及应用。化学方法制备石墨烯的主要方法为氧化石墨的化学还原，一般是通过高功率的超声，先实现氧化石墨的剥离，为了避免氧化石墨烯在还原过程中发生再团聚，在制备石墨烯的过程中要加入高分子、表面活性剂、离子液体或其他稳定剂，通过高分子缠绕、表面活性剂吸附或静电排斥作用，造成石墨烯层间的空间阻隔，从而制备出稳定的石墨烯分散液。利用氧化石墨的化学还原制备石墨烯，具有生产成本低、操作工艺简单、实验条件温和等优势，比较适合规模化生产。但是，利用这种方法制备石墨烯，所得产品中存在大量助剂杂质（高分子、表面活性剂或其他稳定剂），严重影响石墨烯的进一步应用；并且最后得到的石墨烯在干燥后，易团聚，分散性变差，粉体分散液浓度仅0.1～0.3mg/ml，远不能满足应用的要求。

专利US2000303706公开了利用碱性还原剂如水合肼或硼氢化钠还原氧化石墨，即可得到具有分散性良好的石墨烯分散液；而如果在非碱性溶液中进行还原，还原后的石墨烯分散液会产生严重的团聚而无法得到均匀分散的分散液。郭守武等人在2010年专利（CN201010613212.9）中，将氧化石墨水溶液与盐酸羟胺反应，利用氨水控制反应体系的pH值，成功得到了分散性良好的石墨烯分散液。以上研究表明，在碱性条件下还原氧化石墨，可以得到分散性良好的石墨烯。但由于剥离程度太小，导致反应周期太长。随后，Che J.等人（Che J.,Shen L.,Xiao Y.,Journal of Materials Chemistry,2010,20,1722-1727）发现，在强极性溶剂中二甲基甲酰胺中，利用乙二胺做分散剂和还原剂，虽可一步实现氧化石墨的还原和分散，简化了制备工艺，但是存在分散浓度低的不足。李欣等人在2012年专利（CN201210152803.X）中也公开了一种制备石墨烯的方法，申请人在氢氧化钠溶液中超声氧化石墨，得到了分散性良好的石墨烯；但存在反应温度高以及石墨烯在溶剂中高浓度分散性差、还原不完全的问题，严重限制了石墨烯的广泛应用。

发明内容