[发明专利]一种制备石墨烯粉体材料的方法及石墨烯粉体材料

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及一种制备石墨烯粉体材料的方法及石墨烯粉体材料。

背景技术

自从英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆（Andre K.Geim）等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。石墨烯被喻为材料科学与凝聚态物理领域正在升起的“新星”，它所具有的许多新颖而独特的性质与潜在的应用正吸引了诸多科技工作者。石墨烯具有大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数。

目前石墨烯的制备方法主要包括：（1）微机械剥离法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来，比如中国专利申请CN101817516A公开了机械剥离制备石墨烯或氧化石墨烯的方法，利用固体颗粒和液体工作介质（或气体工作介质）采用机械剥离碳素材料后分离，获得石墨烯或氧化石墨烯，所述碳素材料为石墨粉、膨胀石墨、可膨胀石墨或氧化石墨粉；这种方法简便，但只能产生数量极为有限的石墨烯片。（2）超高真空石墨烯外延生长法，即在超高真空和高温环境下从碳化硅或金属等表面外延生长石墨烯，比如中国专利申请CN101798706A公开了一种新型半导体薄膜材料石墨烯在碳化硅(SiC)基底上外延生长，这种石墨烯在电子束轰击下，强制形核并可控生长，石墨烯的层数可以控制在6层以下，生成区域的平均直径可达厘米量级；这种方法的成本高且小圆片的结构限制了其应用。（3）氧化-还原法，整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨剥离产生石墨烯氧化物，再通过化学或热还原为石墨烯，比如中国专利申请CN103342904A公开了一种钛酸酯偶联剂修饰法制备水溶性石墨烯的方法，通过氧化法得到氧化石墨烯，还原得到石墨烯的同时接上钛酸酯偶联剂，得到的改性石墨烯可以稳定的分散在水中，并且通过钛酸酯偶联剂的桥连作用，此方法合成过程繁琐且合成的石墨烯容易产生缺陷。（4）化学气相沉积法（CVD），即利用甲烷等含碳化合物作为碳源，通过其在基体表面的高温分解生长制备石墨烯，比如中国专利申请CN103409728A公开了一种化学气相沉积制备石墨烯的方法，包括以下步骤：将衬底钴镍合金用质量分数为75%的乙醇溶液清洗三次，在50℃～80℃下烘干；将钴镍合金衬底放入石英炉中，加热温度至880℃～890℃，通氦气，氦气流速为50sccm；保持温度在880℃～890℃下向石英炉中均匀加入乙苯；将石英炉降温到室温，取出样品；将样品进行超声处理，超声处理功率为800w，时间为60～90min，获得石墨烯；此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。（5）溶剂剥离法，即将石墨粉末氧化并在溶剂中剥离，再还原得到石墨烯，此方法缺点是产率很低，限制它的大规模制备应用。因此，规模化制备高质量尤其是高电导率和高热导系数的石墨烯材料是亟需解决的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备石墨烯粉体材料的方法，以及所述方法制备得到的石墨烯粉体材料，通过该方法制备的石墨烯粉体材料具有较高的电导率和热导系数，可用作导电和导热添加材料，该方法对原料和设备的要求较低，工艺过程简单，适合工业化生产。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种制备石墨烯粉体材料的方法，包括：

（1）石墨层间化合物的制备：将天然鳞片石墨投入反应釜中，加入50%-98%的硫酸溶液混匀，然后加入一定量的氧化剂并控制温度在10-60℃，搅拌反应20-120min，再加入水并控制反应温度不超过95℃，降至室温，最后分离得到石墨层间化合物；

（2）石墨膨化中间体的制备：将干燥的所述石墨层间化合物在微波炉中膨化，得到石墨膨化中间体；

（3）石墨烯粉体材料的制备：将溶剂和所述石墨膨化中间体投入球磨机或砂磨机中，研磨0.5-12h得到石墨烯浆料，然后干燥所述石墨烯浆料得到石墨烯粉体材料。

上述方法制备得到的石墨烯粉体材料具有较高的电导率和热导系数。

优选地，所述步骤（1）中天然鳞片石墨、50%-98%的硫酸溶液和氧化剂的重量份数比为1：9-37：0.5-3，例如在天然鳞片石墨为1重量份的情况下，50%-98%的硫酸溶液可以是9重量份、12重量份、15重量份、18重量份、25重量份、28重量份、30重量份或34重量份，氧化剂可以是0.5重量份、0.7重量份、1重量份、1.2重量份、1.5重量份、1.8重量份、2.1重量份、2.3重量份、2.5重量份、2.7重量份或2.9重量份。在未作特别说明的情况下，本文中50%-98%的硫酸溶液或其它百分数的硫酸溶液均是按质量百分数而言。