[发明专利]一种高膨胀体积石墨烯聚集体及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及石墨烯领域，公开了一种高膨胀体积石墨烯聚集体及其制备方法和应用。所述高膨胀体积石墨烯聚集体的制备方法包括将层状石墨和氧化剂在插层剂的存在下进行氧化反应，得到可膨胀石墨，然后将所述可膨胀石墨进行高温处理以使得所述可膨胀石墨剥离为石墨烯，得到高膨胀体积石墨烯聚集体，其中，所述插层剂为强酸和有机酸的混合物，且所述强酸为溴酸和/或碘酸，所述有机酸选自甲酸、乙酸和乙二酸中的至少一种。采用本发明提供的方法制备得到的高膨胀体积石墨烯聚集体不仅具有较高的膨胀体积，而且有害物质的排放量也非常低。

技术领域

本发明涉及石墨烯领域，具体地，涉及一种高膨胀体积石墨烯聚集体及其制备方法和应用。

背景技术

石墨由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成，石墨的层间作用力较弱，容易互相剥离而形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。而石墨烯聚集体是指由多层石墨烯堆叠在一起而形成的材料，该材料具有较大的比表面积，主要用于储能或者进一步分散制备石墨烯粉体。

目前制备石墨烯的方法主要有物理法和化学法。其中，物理法包括机械剥离法、液相剥离法、直接生长法，化学法包括氧化还原法、有机合成法、溶剂热合成法。例如，CN105439130A公开了一种石墨烯的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)将高纯鳞片石墨、浓硫酸、发烟硝酸、浓磷酸按照1:1-100:1-20:1-20重量比混合，在20-100℃混合反应1-16h，反应完成后用超纯水清洗至pH接近7，抽滤，将抽滤后物料放置在高温烘箱内，在温度25-300℃下干燥12-96h，收集烘干物料；(2)将步骤(1)所得烘干物料、浓硫酸、硝酸盐、强氧化剂按照1:1-150:0.1-5:1-20重量比混合，在-5～60℃下混合反应1-20h，反应完成后用1:10-5000重量比的超纯水稀释，添加1:1-100重量比的双氧水，混合反应0.1-3h，将反应后溶液用盐酸和超纯水按照1:0.5-5:10-5000重量比清洗至pH接近7；(3)将步骤(2)清洗后的氧化石墨烯溶液浓缩，得到氧化石墨烯溶胶；(4)将步骤(3)得到的氧化石墨烯溶胶放入还原剂中还原，得到不同片径的石墨烯；其中，所述还原剂选自水合肼、硼氢化钠、铝氢化锂、氢碘酸、氢溴酸、维生素C和葡萄糖中的至少一种。然而，采用该方法制备得到的石墨烯聚集体的膨胀容积较低，这样会使得经液相剥离得到的石墨烯的稳定性较差。

发明内容

本发明是为了解决采用现有的方法制备得到的石墨烯聚集体的膨胀容积较低的缺陷，而提供一种具有较大膨胀容积的高膨胀体积石墨烯聚集体及其制备方法和应用。

本发明的发明人经过深入研究之后发现，倘若在石墨氧化过程中仅采用强酸如溴酸和碘酸作为插层剂，会造成插层物质过于单一，且排放的酸性气体较多，对环境不友好；倘若在石墨氧化过程中采用强酸如硫酸和硝酸作为插层剂，所得石墨烯聚集体的膨胀体积不高，这样会使得后续液相剥离得到的石墨烯导电剂的稳定性较差；而倘若在石墨氧化过程中仅采用有机酸作为插层剂，则由于有机酸分子电离能力弱、结构较为复杂且体积较大，不容易进入石墨层间，将使得到的石墨烯聚集体的膨胀容积较小，达不到后期制备石墨烯导电浆液的水平。而将强酸(溴酸和/或碘酸)与有机酸(甲酸、乙酸和乙二酸中的至少一种)配合使用作为插层剂能够极大地改善上述缺陷，不仅能够使膨胀体积达到较高的水平，而且还能够使排放污染物降到最低。基于此，完成了本发明。

具体地，本发明提供了一种高膨胀体积石墨烯聚集体，其中，所述高膨胀体积石墨烯聚集体的膨胀容积不低于450mL/g。

本发明还提供了一种高膨胀体积石墨烯聚集体的制备方法，该方法包括将层状石墨和氧化剂在插层剂的存在下进行氧化反应，得到可膨胀石墨，然后将所述可膨胀石墨进行高温处理以使得所述可膨胀石墨剥离为石墨烯，得到高膨胀体积石墨烯聚集体，其中，所述插层剂为强酸和有机酸的混合物，且所述强酸为溴酸和/或碘酸，所述有机酸选自甲酸、乙酸和乙二酸中的至少一种。

本发明还提供了由上述方法制备得到的高膨胀体积石墨烯聚集体。