[发明专利]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，该方法能够通过简化的工艺制备具有较小的厚度和大面积以及产生的缺陷得到减少的石墨烯。

背景技术

通常，石墨烯是一种半金属材料，其中碳原子通过二维sp2键合形成以六边形形状连接的排列，同时具有与碳原子层相应的厚度。近来，已报道：评价了具有一个碳原子层的石墨烯片的性能，结果是，石墨烯片可以表现出电子迁移率为大约50,000cm²/Vs以上的非常优异的电导率。

此外，石墨烯具有结构和化学稳定性以及优异的导热性的性能。此外，石墨烯只由相对轻的元素碳组成，因此易于加工成一维或二维纳米图案。最重要的是，与现有的纳米材料相比，石墨烯片是便宜的材料因此具有优异的价格竞争力。

由于这样的电、结构、化学和经济性能，石墨烯有望在将来取代硅类半导体技术和透明电极，特别是，由于优异的机械性能，可以应用于柔性电子装置领域。

由于石墨烯的众多优点和优异的性能，已经提出或研究了各种能够更有效的由例如石墨的碳基材料大量生产石墨烯的方法。具体地，已经以各种方式研究了能够通过更简化的工艺制备具有较少缺陷生成且具有较小的厚度和大面积的石墨烯片或薄片的方法，使得石墨烯优异的性能可以更显著地表现。照此制备石墨烯的现有方法包括下列：

首先，已知通过物理方法例如使用胶带由石墨剥离成石墨烯的方法。但是，这种方法不适于大量生产，而且剥离产率非常低。

此外，已知另一种通过化学方法例如氧化或将酸、碱、金属等插入石墨碳层之间剥离石墨以获得由插层化合物剥离的石墨烯或其氧化物的方法。但是，前面的方法会在在通过石墨的氧化进行剥离以获得石墨烯并且再还原由其获得的石墨烯氧化物以获得石墨烯的过程中，在最终制备的石墨烯上产生许多缺陷。这会不利地影响最终制备的石墨烯的性能。此外，后面的方法还需要进一步的加工例如使用和处理插层化合物，因此整个过程复杂，产率不足，而且工艺的经济性较差。此外，以此方法不易获得具有大面积的石墨烯片或薄片。

由于这些方法的问题，近来，最常应用以石墨等分散在液体中的状态，利用超声波辐射、球磨等的研磨方法通过剥离石墨中所包含的碳层制备石墨烯的方法。但是，此方法也有难以获得具有足够小的厚度的石墨烯、在剥离过程中在石墨烯上产生许多缺陷、剥离产率和大量生产性能不足等问题。

此外，还提供了一种利用均质机例如高速均质机通过剥离石墨等制备石墨烯的方法。但是，在此种现有方法中，主要是通常，原料例如石墨被氧化或经过高温热处理和粉碎，从而形成石墨蠕虫或氧化石墨，然后将其剥离以制备石墨烯。但是，在高温热处理和粉碎过程中在原料上产生许多缺陷，从而大大降低最终制备的石墨烯的热、电或机械性能。此外，由于需要高温热处理和粉碎过程，整个过程会复杂，而且变得难以制备具有足够大面积的石墨烯。

此外，在剥离氧化石墨的情况中，由此获得的剥离产物是包含缺陷和氧的氧化石墨烯，因此，与普通石墨烯相比具有差的电导率。为了解决所述问题，额外需要氧化石墨烯的还原过程以获得石墨烯。因此，整个过程变得更复杂，而且即使在还原之后，石墨烯的物理性能也未完全恢复至氧化之前的性能。

正因如此，一直需要一种制备石墨烯的方法，该方法能够通过简化的工艺制备具有较小的厚度和大面积以及产生的缺陷得到减少从而保持优异的性能的石墨烯。

发明内容

技术问题

本发明提供了一种石墨烯的制备方法，该方法能够通过简化的工艺制备具有较小的厚度和大面积以及产生的缺陷得到减少的石墨烯。

技术方案

本发明的一个示例性实施方案提供了一种石墨烯的制备方法，该方法包括：形成包含碳基材料和分散剂的分散液，所述碳基材料含有未氧化石墨；以及使所述分散液连续地穿过高压均质机，所述高压均质机包括入口、出口和用于入口和出口之间的连接的具有微米级直径的微通道，其中，当所述碳基材料在施加剪切力下穿过微通道时，该碳基材料被剥离，从而形成具有纳米级厚度的石墨烯。

在此种石墨烯的制备方法中，当通过藉由燃烧的元素分析测定或XPS分析(X射线光电子能谱分析)的元素分析测定来测定时，所述未氧化石墨可以变为氧对碳的元素比(O/C原子比)为大约5％以下、或大约0％至5％或大约0.001％至3％的石墨。

此外，在所述石墨烯的制备方法中，适当的是，用作原料的未氧化石墨可以是板状石墨。

此外，在所述石墨烯的制备方法中，所述分散液可以是碳基材料和分散剂溶解或分散在水性溶剂或极性有机溶剂中的分散液。