[发明专利]一种石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种石墨烯及其制备方法。 

背景技术

石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质。过去几年中，石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点。在石墨烯的研究和应用中，为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性（如分散性和溶解性等），必须对石墨烯进行功能化，研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作。但是，关于石墨烯的功能化方面的研究还处在探索阶段，对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识。如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化是目前所面临的机遇和挑战。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的，其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0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs(碳纳米管)或者堆垛成三维的石墨。这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质，如石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达1.5x10⁴cm²·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，超过商用硅片迁移率的l0倍，在特定条件下(如低温骤冷等)，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5x10³ W·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引起科技界新一轮的“碳”研究热潮。

但是，目前制备石墨烯的主要方法还只限于实验阶段，主要有：机械剥离法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法、外延生长法、电化学法和电弧法。但这些制备方法仅限于实验室少量制备，而无法应用于大规模、产业化生产，更无法保证制备的石墨烯的品质。

因此，现有技术还有待于改进和发展。 

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯及其制备方法，旨在解决现有石墨烯制备方法不适用于大规模工业化生产、无法保证石墨烯品质的问题。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯的制备方法，其中，包括步骤：

A、将LPAN溶液在80~300℃下搅拌8~72小时，形成微环化的LPAN溶液；

B、将微环化的LPAN溶液在200~300℃下搅拌1~10小时，形成具有梯形结构的热氧化的聚丙烯腈低聚物；

C、将热氧化的聚丙烯腈低聚物进行研磨、过筛，经室温干燥得到热氧化前驱体；

D、把热氧化前躯体在惰性气氛保护下，气体流量为10~500ml/min，400~ 1000 ℃条件下煅烧1-24小时，得到低温碳化前驱体；

E、把低温碳化前驱体在惰性气氛保护下，气体流量为10~500ml/min，1000~ 3000℃条件下煅烧1-10小时，得到石墨烯材料。

所述的石墨烯的制备方法，其中，所述步骤A还包括：在微环化的LPAN溶液中加入掺杂物并混合均匀，对LPAN溶液进行掺杂改性。

所述的石墨烯的制备方法，其中，所述掺杂物为金属掺杂物或非金属掺杂物；所述金属掺杂物为锡、铜、银、铝、铬、铁、钛、锰、镍、钴金属的金属本身、金属氧化物、金属氮化物、金属硼化物、金属氟化物、金属溴化物、金属硫化物或者金属有机化合物中的一种或者多种混合；所述非金属掺杂物为硅、磷、硼、氮、碳、硫单质及其化合物中的一种或者多种。

所述的石墨烯的制备方法，其中，所述混合均匀的方式为搅拌、超声或球磨。

所述的石墨烯的制备方法，其中，所述LPAN溶液的溶质为液态丙烯腈低聚物，其相对分子量为106~100000，溶剂为水、甲醇或乙醇中的一种或两种组合，LPAN溶液的质量浓度为0.01~0.8:1。

所述的石墨烯的制备方法，其中，所述液态丙烯腈低聚物是丙烯腈的均聚物。

所述的石墨烯的制备方法，其中，所述液态丙烯腈低聚物是丙烯腈与其它烯类单体的共聚物，其它烯类单体是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸或亚甲基丁二酸。