[发明专利]一种熔盐电化学剥离石墨制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种制备石墨烯的方法，具体的说涉及一种采用熔盐电化学剥离石墨材料制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化的方式键合形成的具有六方点阵蜂窝状结构的纳米材料，属于一种新型的二维晶体材料。石墨烯具有良好的导电性、导热性、光学透过性以及特殊的力学特性和电子学特性，在能源存储、透明导电器件、复合材料以及光电子器件等领域都具有很好的应用前景。因此，石墨烯目前已经成为材料学、物理学和化学等多学科领域内的研究热点。在产业化方面，由于各种制备技术的发展，石墨烯产品的开发近年来也取得了显著的进展。

石墨烯的制备方法有多种，总体可分为两类：一类是自下而上的方法，通过原子沉积、合成得到；另一类是自上而下的方法，将石墨类材料进行分解、剥离。自下而上的方法主要有CVD，得到的石墨烯具有高定向、高透光率、表面积大等特点，但是由于工艺复杂、成本高，难以市场推广。自上而下的方法众多，有微机剥离法、氧化还原法、溶剂剥离法、电化学法等。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求。氧化还原法制备成本低廉且容易实现，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题，而且通过气-液自组装的方法可以质量很好的石墨烯层片材料(Self-Assembled Free-Standing Graphite Oxide Membrane.Adv.Mater.(2009),21,3007-3011)，但是氧化还原石墨烯存在杂元环和非碳基官能团，使得氧化还原石墨烯的应用受到限制。发明专利《一种电化学溶胀石墨制备石墨烯的方法》(申请号：CN201310659172.5)采用溶剂剥离和电化学相结合的方法，以高氯酸钠、硝酸铝、水和碳酸二甲脂作为电解液，可以大量制备得到石墨烯，该方法的缺点是电化学剥离的时间较长，其实施例采取的时间达到48～72h。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种改进的石墨烯制备方法，利用氯化铝熔盐体系作为剥离介质，熔盐中的带电粒子迁移形成剥离力，使得石墨膨胀，增大片层间距，最后通过超声震荡使石墨片层彻底分离，得到石墨烯。本发明可以可快速大量制备石墨烯。

本发明公开的石墨烯的制备方法，是通过以下步骤制得：

1)将氯化钠、氯化钾干燥与氯化铝按照一定比例混合，将混合盐加热到150～180℃，并保持恒温，得到无机离子熔盐；

2)将石墨接入电源正极、铝板接入电源负极，置于1)得到的熔盐当中；

3)利用直流稳压电源给2)中的电极通入电流，达到选取的反应时间，关闭电源，此时石墨形貌如图1左图所示；

4)待温度降至室温，对3)反应产物进行水洗，使得产物水溶液pH为中性，静置1h，取悬浮液；

5)对4)悬浮液进行超声震荡处理30～60min，静置24～72h，得到二次悬浮液；

6)对5)悬浮液在60～120℃真空干燥12h，得到石墨烯。

所述熔盐不局限于氯化钠、氯化钾和氯化铝，可使用含铝离子(及其带电胶团)且与石墨浸润性好的其他配方熔盐或离子液体代替。

所述石墨不局限于单一种类石墨，可使用鳞片石墨、柔性石墨、高导热石墨等石墨制品代替。

所述阴极不局限于铝电极，可使用耐熔盐侵蚀、导电性良好的其他材料代替。

所述电流不局限于单向恒定电流，可根据实际剥离情况对电流大小、方向进行调节。电流大小由电极尺寸和设定电流密度决定。

本发明与现有技术相比具有下述特征和优点：

1)本实验方法简单、对设备要求简单、成本低、便于大规模生产。

2)本实验采用的石墨原料广泛，不局限特定原料。

附图说明

图1.左图为石墨经过本发明处理后的形貌，右图为本发明得到的石墨烯水溶液。

图2.本发明得到石墨烯的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1：

1)将氯化钠、氯化钾与氯化铝按照1:1:8的比例混合，将混合盐加热到150℃，并保持恒温，使得混合盐完全熔化；

2)利用聚四氟乙烯网将鳞片石墨固定接入电源正极、铝板接入电源负极，置于1)得到的熔盐当中；

3)利用直流稳压电源给2)中的电极通入恒定电流，电流密度为3A·dm^-2。当反应时间为2h时，关闭电源；