[发明专利]一种利用脉冲激光扫描石墨悬浮混合液制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲激光在液面下扫描石墨悬浮混合液制备高质量石墨烯的方法，属于石墨烯制备领域。

背景技术

石墨烯是2004年被发现的一种新型二维平面碳纳米材料，具有以SP2杂化连接的单原子层结构，紧密堆积成二维蜂窝状，具有丰富而独特的性能，已成为近年来备受瞩目的国际研究前沿和热点。近年来，石墨烯的研究主要围绕宏量、可控、高质量石墨烯的制备和拓展石墨烯应用两个方面展开。

为实现宏量、可控、高质量制备石墨烯，研究人员先后发展了微机械分离法、化学气相沉积法、氧化石墨烯(GO)还原法、热分解SiC法、液相直接剥离法、外延生长法等工艺与技术，为实现石墨烯规模化可控制备和功能化可控修饰提供了基础。对于制备石墨烯粉体而言，液相直接剥离法是最具潜力和发展前途的一种制备方法。

液相直接剥离法是先用强质子酸处理石墨，形成石墨层间化合物，加入强氧化剂进行氧化，形成了氧化石墨烯，然后用超声分散至氧化石墨烯水溶液至清晰无颗粒，加入适量的还原剂去除氧化石墨表面的含氧官能团，经过滤、烘干即得石墨烯。该方法所需石墨原料价廉、易得且制备过程相对简单，成本较低，可以大规模制备石墨烯，但该方法制备的石墨烯团聚严重，其电子结构及晶体的完整性受到严重破坏，电子性质受到影响。另外，在制备过程中使用了大量的强酸、强氧化剂和强还原剂，这给后续的废水废液环保处理带来困难。

利用脉冲激光对悬浮在液体中石墨进行循环扫描制备石墨烯是一种新的方法，具有制备工艺简单、周期短，环保无污染、石墨烯产率高、石墨烯上含氧官能团少等优点，可满足大规模、高质量、结构可控制备石墨烯的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种脉冲激光扫描石墨悬浮液制备高质量石墨烯的方法，以及该方法所涉及的材料和脉冲激光扫描工艺。

本发明是将石墨、溶剂和稳定剂按一定比例混合，采用超声分散法获得石墨悬浮混合液，利用循环泵使石墨悬浮混合溶液进行循环；将脉冲激光在液面下进行聚焦，然后进行连续循环扫描；利用重力分离法对脉冲激光扫描后的石墨悬浮混合液的上清液进行离心和干燥处理，即可获得高质量的石墨烯。

具体地，本发明提供的一种利用脉冲激光扫描石墨悬浮混合液制备石墨烯的方法，包含如下步骤：

(1)将石墨、溶剂和稳定剂混合制备石墨悬浮混合液；

(2)采用循环泵使步骤(1)所得石墨悬浮混合液均匀连续循环流动；

(3)将脉冲激光器的脉冲激光在石墨悬浮混合液的液体表面下聚焦，循环扫描石墨悬浮混合液；

(4)对脉冲激光扫描后的石墨悬浮混合液的上清液进行离心分离，所得沉淀物在真空干燥箱干燥，获得石墨烯。

所述石墨为鳞片石墨，其结构为ABABAB……，粒径180μm～300μm，固定碳C含量大于94％，石墨在石墨悬浮混合液中的质量分数为5.0％～30％。

本发明方法中，步骤(1)所述溶剂是水和有机溶剂的混合物，其中有机溶剂为乙醇、丙二醇、正丁醇、丙酮、乙醚、正丁醚、环己烷、甲苯的一种或二种，控制有机溶剂在该悬浮混合液中的质量分数为2.0％～20％。

步骤(1)所述稳定剂为聚乙二醇、十二烷基磺酸钠、油酸、十八胺、十二烷基硫酸钠、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)的一种或二种，控制稳定剂在石墨悬浮混合液中的质量分数为0.5％～3.0％。

步骤(2)中，循环流动速度为0.2mm/s～2.5mm/s。

本发明方法中，步骤(3)所述脉冲激光器为固体激光器，激光波长为335nm、632nm、980nm或1064nm中的一种。

本发明方法的步骤(3)所述脉冲激光扫描采用的脉冲激光的重复频率为0.5～15kHz、激光脉宽为20～100ns，输出功率为50～600W，光斑大小为3mm×3mm～6mm×6mm，激光扫描速度2.0～15cm/s。

步骤(3)所述的脉冲激光聚焦在液体表面下0.5mm～3.0mm之间。

步骤(3)所述的循环扫描的扫描线速度3～20mm/s之间，扫描时间在10min～60min之间。

步骤(4)所述的对脉冲激光扫描后的石墨悬浮混合液的上清液进行离心分离时的离心速度在2500～3500转/分钟之间，离心时间在5min～30min之间，所得沉淀物真空干燥时的真空度在0.01MPa～0.06MPa之间，温度在70℃～90℃之间，干燥时间0.5h～3h之间。