[发明专利]一种大比表面积石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机化学领域，具体涉及一种含碳的非金属材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由六边形晶格组成的二维平面纳米材料，是由sp2杂化的碳原子构成的单层二维石墨晶体。石墨烯是目前所知的强度最大的材料，具有优良的导电、导热能力以及大比表面积。这些优良的性质使它在许多领域如锂离子电池电极材料等都有潜在的应用前景。因此，近些年石墨烯迅速成为材料科学中最热门的研究课题之一。

到目前为止，所知道的制备石墨烯的方法有：(1)微机械剥离法，该方法无法用于工业生产，只能作为基础研究；(2)化学气相沉积(CVD)，该方法可满足规模化生产，但成本高、工艺复杂；(3)氧化-还原法，将石墨氧化成氧化石墨，再将氧化石墨剥落产生的石墨烯氧化物通过化学或者热还原为石墨烯。该方法目前应用最为广泛；(4)溶剂剥离法，该方法产率极低，无法面向商业化。在上述方法中，最切合工业化需求的为氧化-还原法(Hummers方法)，但是该方法水洗步骤耗时耗能，所得石墨烯比表面积和导电性都不理想，工业批量化制备出的石墨烯比表面积往往在200m²/g以下。石墨烯比表面积的大小决定了其用于电极材料、催化剂等领域的功能优劣，比表面积大于500m²/g的石墨烯产品具有更大的实用价值。

因此改良目前工业化生产步骤中存在的上述问题，提高石墨烯产品的质量是一项不小的挑战。

发明内容

针对本领域存在的问题，本发明的目的是提出一种大比表面积石墨烯的制备方法。

本发明的另一目的是提出所述制备方法制备得到的石墨烯。

实现本发明目的的技术方案为：

一种大比表面积石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

S1：低中温反应：首先将膨胀石墨与硝酸盐的混合物加入浓硫酸中搅拌均匀，温度保持在22-28℃搅拌15-30分钟后加入高锰酸钾。高锰酸钾加入完毕后，继续保温搅拌90-600分钟，将温度调整至40-50℃，再保温搅拌15-60分钟。

其中，将温度从22-28℃调整至40-50℃是一个逐步升温的过程,优选的操作是以4-5℃/分钟的升温速率从25℃逐步升温到50℃。

所有原料按以下组分和质量百分比含量称量：膨胀石墨22％-30％、硝酸盐11％-20％、高锰酸钾50％-65％；所述硝酸盐为硝酸钠、硝酸钾或两者混合物。

其中，石墨原料为膨胀石墨颗粒。可选用纯度＞99％的膨胀石墨，颗粒直径为1-200μm。改变膨胀石墨纯度和粒径属于同等替换，只要采用膨胀石墨并通过本发明提出的方法进一步剥离获得石墨烯，均属于本发明实施例的技术方案范畴之内。

S2：将温度升高至90-100℃，保温加热15-120分钟。加入质量分数为30-35％的双氧水，双氧水体积与膨胀石墨原料的关系为：每克膨胀石墨对应2-3ml双氧水。之后再次加入去离子水稀释酸液并使其放热，加入去离子水与初始溶液体积比为2:1-3:1。

S3：对S2所得溶液进行超声处理，超声机功率为100-1000W、频率为10-5000Hz，超声时间为5分钟-2小时。

S4：对超声处理后得到的悬浮液进行沉降、去除上层清液后，加入盐酸洗涤。再分别使用乙醇和去离子水洗涤并重复上述沉降操作至溶液显中性，获得水凝胶状产物，该溶液浓度为6-10mg/ml。

该步骤中，与天然鳞片石墨、人造石墨粉为原料的工艺相比，膨胀石墨沉降、水洗速度约快2-3倍。

S5：对中性氧化石墨烯水凝胶状产物再次进行超声，超声机功率为100-1000W、频率为10-5000Hz，超声时间为5分钟-2小时。

S6：以水合肼为还原剂，对上述水凝胶溶液进行还原，还原温度为90-100℃，还原时间为200-400分钟。

其中，所述S1中浓硫酸为氧化插层剂，为97-99％(质量分数)浓硫酸，每克膨胀石墨对应的浓硫酸用量为20-30ml。

优选地，所述S1中高锰酸钾需缓慢加入，在30-60分钟内加完。具体地，可将固体的高锰酸钾分2-5次加入，每次间隔5-15分钟。

其中，所述S1保温搅拌15-60分钟后，加入去离子水对浓硫酸进行稀释并使其放热，加入去离子水与原溶液体积比为2:1-3:1。

优选地，所述S2中将温度升高至90-100℃，保温加热60-120分钟。

所述的超声处理，理论上来讲，其时间越长效果越好,但考虑到能耗等因素,需要找到一个平衡点,即制备出满足要求的产品的条件下尽可能缩短超声时间。