[发明专利]一种常温常压下直接制备膨胀石墨或石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种常温常压下直接制备膨胀石墨或石墨烯的方法。以石墨为原料，采用氧化剂和酸性介质，在常温常压下直接制备膨胀石墨和石墨烯。具体步骤如下：首先将石墨分散于含氧化剂的酸性介质中，然后将所得到的悬浮液在常温常压下静置，得到膨胀石墨。本发明制备膨胀石墨不涉及任何高温高压反应过程，操作安全，能耗低，效率高，环境友好。本发明得到的膨胀石墨可实现50‑1500倍的体积膨胀，并且石墨烯片层的sp²杂化结构基本不会被破坏。本发明制备的膨胀石墨可广泛应用于储能、热量管理、光电子器件、太阳能电池、防腐涂料以及各种复合材料等领域。本发明制备的膨胀石墨也可作为制备高质量石墨烯的前驱体，将膨胀石墨进行力学剥离，可获得基本不含缺陷的高质量石墨烯。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种在常温常压下直接制备膨胀石墨的方法，并以膨胀石墨为前驱体，制备高质量石墨烯。本发明可用于大规模工业生产高质量、低成本的膨胀石墨、石墨烯及其复合材料。

背景技术

石墨烯自2004年被成功制备以来，已经成为科学研究和产业领域中的明星材料。石墨烯具有高比表面积以及优异的光学、力学、电学等性能，已经被广泛应用于能源、环境、复合材料、涂料等领域。为了实现石墨烯的大规模应用，建立简单、高效的石墨烯制备方法至关重要。

在石墨烯的制备方法中，自上而下的剥离法被认为是实现石墨烯大规模应用的关键途径。剥离通常以天然或人工合成的石墨为原料，通过氧化还原、超声、剪切、球磨等方式来制备石墨烯材料。由于石墨是由sp²杂化的单原子碳层通过π-π方式形成的紧密堆积结构，层间相互作用较强，为了克服这种相互作用，往往需要强外力输入，这使得石墨烯的制备效率较低。因而，减弱石墨烯层间相互作用是提高石墨烯材料的制备效率至关重要的关键环节。层间膨胀可显著降低石墨烯片层之间的相互作用力，因而可有效提高石墨烯剥离制备时的产率和效率。

在公开的膨胀石墨制备方法中，石墨主要经氧化剂/酸混合液处理后，首先制得插层石墨，将此插层石墨经水洗干燥后，再在高温条件下实现膨胀。这种膨胀石墨的制备过程需要高温反应过程，能耗较大，所得膨胀石墨结构不均匀，石墨烯片层在膨胀后的聚集体中仍多是以几十甚至上百片堆积在一起的，将它们再次分散于液体中进一步剥离十分耗时和困难，剥离也难以充分，产率受限。此外，由于得到的膨胀石墨处于干燥状态，片层厚度也相对较大，不利于与其它材料的复合以及性能优化。

发明内容

为克服现有的膨胀石墨和石墨烯制备方面存在的困难，本发明的目的在于建立一种简单高效、在常温常压下制备膨胀石墨的方法，并以此为基础，制备低成本、高质量石墨烯的方法。与现有的膨胀石墨制备方法相比，本方法在常温常压下一步完成，无需任何高温高压处理步骤，所得到的膨胀石墨不会额外引入缺陷或其它杂质，以得到的膨胀石墨为原料，可进一步制备无缺陷的高质量石墨烯粉体和浆料。

本发明提出的一种常温常压下直接制备膨胀石墨或石墨烯的方法，首先将原料石墨分散于酸性溶液中，得到悬浮液，然后将得到的悬浮液在常温常压下静置一段时间，得到膨胀石墨；膨胀石墨水洗处理后经剥离，得到石墨烯分散液；石墨烯分散液通过固液分离除去溶剂后，可分散于有机溶剂中形成浆料；具体步骤如下：

（１）将1重量份的原料石墨加入到1-200重量份的酸性溶液中，得到悬浮液，将得到的悬浮液在常温常压下搅拌1分钟-2小时后，静置1-48小时，得到膨胀石墨；所述的酸性溶液为含有氧化剂的硫酸溶液，氧化剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠或双氧水中任一种，氧化剂用量为石墨重量的0.1-20倍；

（２）将得到的膨胀石墨用去离子水洗涤后，过滤得到湿态膨胀石墨；将湿态膨胀石墨在溶液中进行剥离，得石墨烯分散液；

（３）将剥离后的石墨烯分散液进行喷雾干燥，得到石墨烯粉体，或离心/过滤处理后，得到石墨烯浆料或湿态石墨烯固体，湿态石墨烯固体易于再次分散到其它溶剂中。