[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

除了三维层状的石墨以外，科学家们发现碳系家族还有零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的碳材料能否在室温下稳定存在一直是个谜。早在多年前，著名物理学家Peierls和Landau理论上提出严格的二维晶体由于其热力学不稳定，不可能存在。1966年，Mermin和Wagner的Mermin-Wagner理论指出长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏。此时，二维碳材料被人们认为只是一个理论模型，但这并没有阻碍人们对二维碳材料理论和实验的探索，科学家们尝试得到稳定的单层石墨片。直到2004年，曼彻斯特大学的科学家A. K. Geim和K. S. Novoselov首次用机械剥离法成功地从石墨中分离出石墨烯（也称为单层石墨），这一发现震惊了科学界，不仅推翻了原有完美二维晶体材料不能在非绝对零度下稳定存在的理论，而且激发了科学家们对其他二维材料的研究兴趣，同时丰富了碳系家族成员。

石墨烯，可看作被剥离的单层石墨片，是由单原子层厚度的碳原子组成的二维晶格，其中碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。它是目前发现的最薄的物质，厚度只有0.35 nm，碳原子以sp2杂化的方式相互键合，碳-碳键的键长为0.142 nm，键角120°。它是构建其它维数碳材料的基本单元，它可以翅曲构成零维(0D)的富勒稀(fullerene)，卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube，CNT)还可以堆成三维(3D)的石墨(graphite)。

正是由于石墨烯独特的二维结构，使其具有许多不同于其他维材料的优异的电学、力学、光学和热学等特殊性质，因而在这几年备受关注。对于它的研究目前已不仅仅局限在理论的层面。石墨烯已经应用于各种器件的制备，包括低能量高密度的电子器件、传感器件等。和其他准备大规模应用的新材料一样，材料的制备和处理是石墨烯得以实际应用的前提。自首次通过微机械剥离法获得石墨烯后，人们相继提出了取向附生法、化学气相沉积法、溶剂热法、电化学法、化学还原法等方法制备石墨烯。其中，化学还原法是一种以石墨为原料的软化学方法，即通过微波或超声波对氧化石墨进行剥离得到氧化石墨烯溶液，然后再对GO进行化学还原得到石墨烯。这种方法以廉价的石墨为原料，经过氧化、剥离、还原，容易实现石墨烯的批量化生产，可以满足大规模的应用需求。

目前，氧化还原法以其工艺简单、成本低廉成为工业制备石墨烯最有吸引力的途径之一。在众多制备氧化石墨的方法中，Hmnmers法的工艺流程简单、绿色、安全，从而成为目前制备氧化石墨最常用的方法之一。该方法主要包含了低温、中温、高温三个反应阶段。研究表明M:(傅玲，刘洪波，邹艳红，李波.Hummers法制备氧化石墨时影响氧化程度的工艺因素研究[J].碳素，2005(4):10-14)低温反应主要发生硫酸分子在石墨层间插层；中温反应主要发生石墨的深度氧化；高温反应过程则主要发生化合物的水解反应。低温反应插层充分，中温反应深度氧化完全，高温反应水解彻底，将是获得层间距较大氧化石墨的途径之一。Hummers法的高温反应阶段，在温度较高的含有浓硫酸的混合液中加入去离子水，会使混合液产生局部的高温，造成反应温度难以控制，同时混合液的局部温度过高，使得硫酸-石墨层间化合物的受热分解，硫酸等插入物从石墨层间迅速脱出，从而大大影响了氧化石墨的质量。

现有技术中，通常制备石墨烯的方法为：1、微机械剥离法；2、化学气相沉积法；3、氧化-还原法；4、溶剂剥离法；5、溶剂热法、6、其他方法。其中对于第3种方法，前面也进行过论述，主要通过Hummers法或改进的Hummers法制备GO，再用硼氢化钠等还原GO得到氧化石墨烯，这种方法得到石墨烯的产率偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯的制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

第一步，在-5~0℃条件下，把石墨粉、硝酸钠加入反应容器中，然后加入浓硫酸，保持反应体系温度在-5~0℃，超声处理，然后充分搅拌；

第二步，向第一步所得溶液中加入高锰酸钾，保持反应体系温度不高于10℃，搅拌16~24h，制备石墨悬浮液；

第三步，向石墨悬浮液中加入稀硫酸，超声处理，然后在搅拌的条件下，充分反应2~6h；

第四步，再加入去离子水，保持反应体系温度不高于10℃，充分反应6~12h；

第五步，保持反应体系温度不高于10℃的条件下，逐滴加入过氧化氢溶液，直到气体完全逸出；