[发明专利]规模化制备大片石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种规模化制备大片石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子通过sp²杂化构成的单原子层蜂窝状二维网格结构。石墨烯以二维晶体结构存在，厚度只有0.334nm，是目前世界上已知的最薄的材料，也是构筑其它维度炭质材料的基本单元，它可以包裹起来形成零维的富勒烯，卷起来形成一维的碳纳米管，层层堆积形成三维的石墨(Allen M J，Tung V C，Kaner R B.Honeycomb carbon：A review of graphene[J].Chemical Reviews，2010，110(1)：132-145.)。得益于这种特殊的二维结构，石墨烯具有许多特殊的性能。其理论比表面积高达2630m²/g，拥有超高的杨氏模量(～1100GPa)和断裂强度(125GPa)，以及优良的热传导性(～5000W/(m×k))和载流子传导率(2×10⁵cm²/v)，此外，石墨烯在电和磁学性能等方面也有很多其他的特性，如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性等。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有广阔的应用前景(Geim A K，Novoselov K S.The rise of graphene[J].Nature Materials，2007，6(3)：183-191.)。

至今虽然世界各国已提出了制备石墨烯的多种方法，但所制备石墨烯片层径向尺度均较小，尤其是后续需要超声剥离的工艺过程对石墨烯边沿结构破坏非常严重。由于超声波提供的瞬时巨大冲击能量以及物料与介质作用部分瞬间的高温微环境，使石墨烯片层受到强剪切力和冲击力而碎裂为微米、亚微米甚至是纳米级别的片层径向尺寸。因而现有的液相氧化-还原方法的化学氧化和超声剥离制备过程很难得到片层结构大尺寸的石墨烯。同时，目前化学剥离法都离不开水洗过程，水洗后的氧化石墨片层之间产生巨大的内聚力，使得氧化石墨的粘度瞬间变得非常大。这样不但使进一步去除离子和杂质的清洗过程变的异常困难而需要更长的时间和消耗更大的动力来完成氧化石墨的洗涤、过滤和干燥。而且强大内聚力使得插层后的氧化石墨片层间的间距逆向发展即氧化石墨片层的间距会有所减小，这一结果使石墨烯的剥离变得愈加困难，非常不利于片层的剥离。若要达到有效的超声剥离和片层分离就需要更大功率和更长时间的超声处理来实现。可以想见氧化石墨长时间处于强烈超声和空化状态其晶体结构就会发生严重的破坏而导致所制备石墨烯部分性能的损失。这是目前液相氧化-还原的化学剥离法制备石墨烯的又一瓶颈问题。此外，目前液相氧化-还原的化学剥离法需要非常长的时间和十分巨大的动力消耗用来解决氧化石墨的洗涤和过滤过程，这一制约因素使其产品的制备成本大幅提高，生产效率急剧降低。总之，目前液相化学剥离方法制备石墨烯的过程普遍存在制备条件苛刻、工艺复杂、效率较低、片层径向尺度小。所制备石墨烯由于氧化过度和反应剧烈而导致晶格缺陷多、SP²杂化结构破坏严重、本征性能丧失较大。因而，开发一种温和插层、工艺简便、生产高效、片层径向尺寸大及规模制备的石墨烯的制备方法是必要而迫切的。