[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备方法，尤其是涉及一种以石墨化的螺旋形碳纤维为原料制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环。石墨烯是其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。由于石墨烯具有特殊的纳米结构，使其具有一系列特殊的性质。石墨烯在平面上仅有一层碳原子，理论厚度0.35nm，是目前发现最薄的材料。石墨烯材料的理论比表面积高达2600m²/g，具有突出的导热性能(3000W/(m·K))和力学性能(1060GPa)，以及室温下高速的电子迁移率(15000cm²/(V·s))。石墨烯材料碳原子排列非常牢固坚硬，它比钻石还强硬，其强度比世界上最好的钢铁还高100倍，是目前世界上强度最高的材料。石墨烯具有奇特的电学性能是因为它具有独特的电子结构。石墨烯的价带(π电子)和导带(π电子)相交于费米能级处，是能隙为零的半导体，在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。这种现象导致了许多新奇的电学性质。例如，室温下的量子霍尔效应、双极性电场效应以及量子隧道效应等。由于石墨烯的特殊性质，使其在高传导率集成电路方面具有很高的潜在应用价值。石墨烯很有可能成为组建纳米电子器件的最佳材料，可能是下一代电子器件的替代品，用它制成的器件可以更小，耗能更低，电子传输速度更快。然而石墨烯制备技术存在石墨烯尺寸小且分布不均、难以批量生产以及性能难以精确控制等瓶颈问题，这极大的阻碍了石墨烯规模化应用的步伐。

目前，制备石墨烯的方法主要有机械剥离法、外延生长法以及化学气相沉积法等。机械剥离法可以制备质量较高的石墨烯，但是产量很低，可控性较低，难以实现大规模合成。外延生长法是在SiC晶体的表面外延生长石墨烯结构，但是由于SiC晶体表面在高温加热过程中容易发生重构，导致表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均匀的石墨烯。CVD法可以获得较大面积的单层或低层数的石墨烯材料，但是材料的片层结构受金属衬底的影响而且膜转移工艺复杂。化学剥离法是通过石墨的氧化以及后续的快速膨胀、超声处理等方法获得石墨烯，是目前公认最常用的制备宏量石墨烯的方法。但是这种方法由于强氧化过程的参与导致石墨烯的质量较差，缺陷较多，而且石墨烯的尺寸分布不均匀。因此，针对传统石墨烯制备方法的缺陷，探索一种简单适用，经济高效的大规模制备层数可控的石墨烯材料对于石墨烯的广泛应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有石墨烯制备方法的不足，提供一种大规模制备层数可控石墨烯的方法，该方法具有工艺简单、产率高、可控性好等优点。

本发明的另一目的是提供一种制备石墨烯的新型石墨原料，石墨化的螺旋形碳纤维。

本发明的一种层数可控石墨烯的制备方法包括如下步骤：

步骤一：本发明首先以石墨化的螺旋形碳纤维为原料，在氧化性酸体系中浸泡一段时间，利用改性的Hummers方法进行氧化；然后将氧化石墨浆液进行过滤，将沉淀物溶解分散到水中得到氧化石墨水溶液；再进行离心分离，通过控制离心速率和时间，提取出层数均匀的氧化石墨烯；40℃真空条件下干燥。

步骤二：将步骤一中得到的氧化石墨置于石墨舟内，然后将石墨舟置于管式电阻炉中进行热还原；取出还原后样品用200目筛子过滤，后按石墨烯与乙醇质量比1∶400进行超声分散。

本发明步骤一所采用的原料为形貌规整的石墨化螺旋形碳纤维，螺旋形碳纤维的直径为6～9μm，螺距0.4～0.6μm。

本发明步骤一所述的氧化性酸体系为体积比9∶1的浓硫酸与浓磷酸混合溶液。石墨化螺旋形碳纤维浸泡时间为1～24h(优选时间12h)，浸泡过程中要不断的进行搅拌。

本发明中采用改性的Hummers法进行氧化，石墨化螺旋形碳纤维与高锰酸钾的质量比为1∶3～1∶8(优选质量比例为1∶5)；加入高锰酸钾后先在室温下搅拌一个小时，然后在25～100℃(优选温度50～70℃)条件下再搅拌一小时，然后用含冰的双氧水终止反应，得到氧化石墨。

本发明离心分离方法主要有两步；第一步是在离心速率和离心时间分别为2000～4000rmp和2～5min得到氧化石墨上澄清液；第二步是在离心速率和离心时间分别为4000rmp和30～60min得到氧化石墨沉淀物。通过控制离心时间可以控制石墨烯片层数量。