[发明专利]一种制备优质石墨烯的新方法

说明书

（一）      技术领域

本发明涉及石墨烯生产领域，特别涉及一种制备优质石墨烯的新方法。

（二）      背景技术

    石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格排列构成的单层平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，是构建其它维度碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨）的基本单元。石墨烯具有优异的物理化学性能，例如，常温下石墨烯的电子迁移率超过15000 cm²/V·s，比纳米碳管或硅晶体高；其强度达130GPa，是钢的100多倍；其热导率可达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石；其电阻率只约10^-6 Ω·cm，比铜或银更低；其硬度比莫氏硬度10 级的金刚石还高；单层石墨烯的比表面积的理论值达2630 m²/g。目前，石墨烯的潜在应用非常广泛，主要用在透明导电薄膜，纳米电子器件（晶体管，晶体管电路互联内存半导体）、导电墨水、太阳能电池、锂电池、超级电容器、传感器和生物医药等领域。

当前石墨烯研究的真正挑战是如何生产高质量的石墨烯薄层，使其能够进行大规模应用，主要有两个方面：一是制备单层、大尺寸、电学性能优异的高质量石墨烯，用于微电子器件领域，另一方面实现石墨烯的宏量制备。目前，石墨烯的制备方法主要包括微机械分离法、化学氧化还原法、金属表面化学气相沉积法（CVD）、碳化硅表面外延生长法和切割碳纳米管法等。化学氧化还原法是目前公认为有可能实现大规模生产的方法。其典型的化学氧化还原法之一就是Hummers方法，将石墨进行控温插层氧化处理，得氧化石墨，再对其进行剥离得到氧化石墨烯，最后经过还原处理得到石墨烯。但是，该法也存在一些不足，如控温插层氧化处理的稳定性难以完全控制，生产成本较高等。因此，迫切需要开发一种可大量、容易操作、低成本且环境友好的制备高质量石墨烯的新方法。

（三）      发明内容

    本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种新颖的、简易的、快速的、低成本的、能大规模生产的优质少层（10层以下）的制备优质石墨烯的新方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种制备优质石墨烯的新方法，其特征是，按如下步骤进行：

1）氧化处理：将1g天然石墨和40～100ml混酸边磁力搅拌边混合于反应釜内，在温度低于20℃的情况下再缓慢加入3～8g高锰酸钾；之后将反应釜密封，在60～90℃恒温磁力搅拌下反应1～4小时，取出冷却至室温；然后稀释成400mL溶液，加入2～6mL过氧化氢得亮黄色氧化石墨溶液；

2）提纯分离：采用差速离心方式，用质量分数为4.5～5.5%的硫酸溶液进行酸洗氧化石墨溶液2～4次，用去离子水离心洗涤氧化石墨溶液5～6次，去除硫酸根离子，pH为6～7，得氧化石墨粘稠液；

3）超声干燥：用1体积的氧化石墨粘稠液与1～3体积的有机溶剂混合，放入超声振荡器中，超声功率约100～600W，超声振荡1～2小时，冷冻干燥得氧化石墨烯；

4）热还原处理：将干燥好的氧化石墨烯放入管式炉中，先在空气条件下，以8～12℃/分钟的升温速率升温，在290～310℃保温2～5分钟；之后，于氮气保护下，在1000～1050℃保温1分钟～3小时，冷却至室温；再进行研磨，并用有机溶剂超声分散，在50～60℃烘干得石墨烯粉末；

所述混酸组成为：浓硫酸与浓磷酸的体积比为7:3～9:1；

所述有机溶剂为醇类、酮类和醛类中的一种或几种以任意比例混合的混合物。

在步骤2）中，酸洗的转速为800～5000转/分钟，水洗的转速为8000～12000转/分钟。

在步骤4）中，升温速率为10℃/分钟，在300℃保温3分钟。

本发明的有益效果是：

1、本发明中石墨氧化过程摒弃了复杂的石墨插层化合物的升温氧化控制工艺，直接将石墨原料于反应釜内密闭恒温磁力搅拌即可，操作简单；

2、本发明中的氧化膨胀过程为液相化学反应，在反应釜内密闭完成，石墨的膨胀程度高，均一性好，能保证后续产物的高产率和均匀性；

3、本发明中磷酸具有辅助氧化和保护石墨烯片层结构的作用，可以最大程度的保留石墨烯的结构和电学与力学性质。4、整个反应过程对环境的影响很小，废液中仅含有少量酸和锰化合物离子，处理成本低。