[发明专利]一种超声波、超临界CO2及微波三次剥离制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种超声波、超临界 CO₂及微波三次剥离制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯由平面单层碳原子排列成二维蜂巢状结构，是只有一个碳原子厚度的超薄材料。石墨烯具有丰富的物理特性，比表面积达到 2600m²/g；机械性能优异，断裂强度可达42N/m²，抗拉强度和弹性模量分别为130GPa和1.0TPa，弹性延展可达20％；导热性能好，在室温下高达5300W/(m·K)；透明度高，吸光率仅为2.3％。同时石墨烯还具有优异的电化学性能，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/(V·s)，高于碳纳米管。石墨烯因其独特的结构和优良的性能，成为研究的热点。

石墨烯的制备方法主要分为三大类：第一类氧化还原石墨烯法，这种方法操作简单可大量生产，但制备的石墨烯含有大量的官能团使石墨烯缺陷增加降低了石墨烯的性能；第二类方法是化学气相沉积法，此方法可以制备高质量的单层石墨烯但是不能工业化规模化大量生产；第三种是机械剥离法，机械剥离法可大规模工业化生产，但剥离的石墨烯的品质不高。综上所述，现有石墨烯的制备方法都有各自的优点，同样也存在着一定的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种超声波、超临界CO₂及微波三次剥离制备石墨烯的方法，所述方法利用超声实现初次预剥离，超临界 CO₂进行二次剥离，微波进行最终剥离制备高品质的石墨烯，该方法工艺简单可大规模生产并且制备的石墨烯层数在十层以内，缺陷含量低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超声波、超临界CO₂及微波三次剥离制备石墨烯的方法，所述方法通过对石墨进行三次剥离制备获得石墨烯，所述三次剥离依次为超声波初次剥离、超临界CO₂二次剥离和微波最终剥离；制备获得的所述石墨烯层数在十层以内，并且所述石墨烯中不含有机官能团。

所述方法具体为：以石墨为原料，对石墨进行氧化和插层处理，烘干后，进行研磨过筛，制备获得可膨胀石墨；对所述可膨胀石墨利用超声波进行初次剥离，利用超临界CO₂进行二次剥离，最后利用微波进行最终剥离并去除有机官团，制备获得石墨烯。

超声波、超临界CO₂、微波剥离处理的力度不同，超声波实现的是初级粗略剥离，剥离出的片层较厚、层数较多；超临界实现的是二次细致剥离；微波是实现精细剥离；三者结合后剥离出的石墨烯片层厚度更均匀，层数更少。如果只使用超声剥离，超声剥离只能实现石墨片层间距离较大片层间作用力非常小的部分，因而剥出的层数较厚，十层以内的石墨烯含量非常少；单纯的实用超临界CO2剥离，只能使表层石墨烯剥离下来，石墨片层内部虽然CO2能够夹带有机分子渗入但不能完全剥离，所以剥离后的石墨烯含量也较少，并且片层数不均匀；单纯的采取微波剥离由于插层剂的含量有限，且渗入深度有限所以不能彻底剥离，剥离后仍会含有大量层数较多的石墨烯。

进一步地，所述方法包括以下步骤：

(1)石墨氧化、插层处理：以天然鳞片石墨或人造石墨为原料，先加入氧化剂进行氧化反应制备获得氧化石墨，然后加入插层剂进行插层反应，插层反应结束后对反应液进行抽滤，将滤出固体水洗至中性、烘干，获得烘干后插层石墨；其中，烘干的主要目的是去除水洗过程表面存留的大部分水，便于后续步骤处理，例如：研磨粒度、超声预剥离、以及如果含有大量的水不利于最后微波剥离时迅速升高温度，实现片层间的爆剥效果；

(2)制备可膨胀石墨：利用研磨设备将步骤(1)制备的所述烘干后插层石墨进行研磨过筛，获得可膨胀石墨；所选研磨设备为砂磨机、球磨机和气流磨中的任意一种；控制研磨过筛后制备获得的所述可膨胀石墨的粒度为50-5000目；

(3)超声波初次剥离：将步骤(2)获得的可膨胀石墨分散在超声处理溶剂中，进行超声波处理以实现初次剥离；超声波处理能够利用超声波的剪切空化作用破坏石墨层间的范德华力；在本发明中，超声波处理具体为以下两方面的作用：一是将步骤(2)制备获得的可膨胀石墨进行初级剥离，二是使后续超临界CO₂二次剥离过程中添加的“夹带剂”(超临界CO₂)更好的渗入到初次剥离后的石墨片层中。