[发明专利]一种用于机械剥离法制备石墨烯的剥离剂及应用

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，特别涉及一种用于机械剥离法制备石墨烯的剥离剂及应用。

背景技术

自从2004年石墨烯被发现，一直成为人们研究的热点。石墨烯是由一层碳原子以sp2杂化形成的蜂窝状六角平面结构的二维材料，其厚度仅为0.335nm，是目前世界上已知的最薄材料。石墨烯具有高的力学模量（1.0 TPa）、热导率（5300 W/m•K）、比表面积（2630 m²/g）和电荷迁移率（250,000 cm²/V•s），同时还有较强的机械强度和柔韧性，在聚合物复合材料、能源材料、电子通讯、光磁学、生物学等领域具有广阔应用前景。由于在众多领域具有潜在的应用前景，因此石墨烯的基础与应用研究已成为各国科学家研究的热点。

目前最常用的石墨烯的制备方法包括机械剥离法、氧化还原法、气相沉积法等，国内主要采用氧化还原法制备石墨烯，即将石墨进行强氧化处理后得到氧化石墨，对氧化石墨进行剥离得到氧化石墨烯，最后再经过还原处理得到石墨烯；但此法使用强氧化剂和强腐蚀性酸，在石墨烯产品中引入了大量表面含氧官能团缺陷，在还原时不能完全修复，严重影响了石墨烯的电学性能，且制备过程繁冗耗时，污染环境。国外多数采用气相沉积法制备石墨烯，此方法也是制备高品质和大面积单层石墨烯的重要方法，但该方法制备条件苛刻，产量低，耗能大，成本高。机械剥离法是最早获得石墨烯的方法，即通过机械力从石墨片的表面进行逐层剥离得到石墨烯片，可制备出最接近理想状态的石墨烯，是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。但该方法的缺点是剥离效率低，时间长，因此为了提高剥离效率，通常在机械剥离制备石墨烯的过程中，添加剥离剂或插层剂提高机械剥离效率。

中国专利公开号CN 102701187A公开了一种石墨烯的制备方法和使用该方法制备的石墨烯，以石墨为原料，通过在石墨层间插入金属制得石墨层间化合物，然后剥离所述石墨层间化合物而制得石墨烯。该制备方法简便、成本低廉。采用金属作为剥离剂，在剥离过程中金属进入石墨层间之后，金属在石墨层间聚集结晶，破坏石墨片层的二维物理结构，使其机械性能和导电性能变差。

中国专利公开号CN 102874797A公开了一种大规模制备高质量石墨烯的方法，以可溶性碳酸盐、碳酸氢盐、铵盐、氨、尿素、偶氮化合物或磺酰肼类化合物作为剥离剂，与膨胀石墨混合搅拌浸渍，然后通过超声处理得到石墨烯。该方法制备条件温和，操作简单，容易实现规模化生产。由于石墨烯片层之间较强的层间相互作用，选用可溶性盐作为剥离剂，不能有效破坏石墨烯片层间的相互作用，从而影响石墨烯的剥离效率。

中国专利公开号CN104843677A公开了多孔石墨烯及其制备方法，将石墨原料加入壳聚糖的醋酸水溶液中，以壳聚糖作为剥离剂，经过超声处理，离心纯化，制备了具有多孔结构的石墨烯材料。制备方法简单易行，多孔石墨烯材料在吸附、催化、气体分离和超级电容器等领域具有巨大的应用价值。以壳聚糖作为剥离剂，可以提高石墨烯的分散能力，但不能完全破坏石墨烯片层间的相互作用，不能有效的提高石墨烯的剥离效率。

综上所述，目前的机械剥离制备石墨烯的剥离效率较低，时间较长，因此需要研究开发一种可以有效提高机械剥离制备石墨烯效率的剥离剂。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种用于机械剥离法制备石墨烯的剥离剂及应用。所述剥离剂由聚合有机质、有机发泡剂和载体在高速搅拌机中混合均匀制备所得，混合过程中，聚合有机质和有机发泡剂均匀吸附、分散在杂环氨基酸改性的无机层状矿物载体中。在机械剥离制备石墨烯的过程中，将剥离剂与石墨原料混合形成预混物，在机械剪切过程中，负载在无机层状载体中的发泡剂发泡产生剥离力，使石墨层间的间隙扩大，同时聚合有机质与石墨层间发生非共价作用，有利于降低石墨层间的作用力，同时还可以提高石墨烯的分散性。在机械剥离制备石墨烯的方法中，采用本发明剥离剂可以大大缩短机械剥离的时间，提高剥离效率，同时制备的石墨烯片层较薄，比表面积大，结构缺陷小，电化学性能好，产率高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 ：

一种用于机械剥离法制备石墨烯的剥离剂，其特征在于所述剥离剂按重量百分比由如下成分组成：70~80%的聚合有机质，5~15%的有机发泡剂和10~20%的载体。。

上述所述的聚合有机质为能与石墨形成层间非共价作用的材料，优选为聚赖氨酸、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚乙撑亚胺、磺化聚苯乙烯中的一种或多种。

上述所述的有机发泡剂为磺酰肼类发泡剂，包括对苯磺酰肼、对甲基苯磺酰肼、双苯磺酰肼中的任意一种。