[发明专利]一种微波辅助搅拌快速制备石墨烯的方法

说明书

本发明提出一种微波辅助搅拌快速制备石墨烯的方法。采用石墨粉为原料，将石墨粉与发泡剂混合，使石墨被发泡剂浸润，然后放入高混机中，利用高速搅拌使石墨处于完全悬浮状态和高速运动状态，同时辅助微波剥离，使石墨层间的发泡剂快速反应产生支撑力，实现连续快速、环保清洁地制备石墨烯材料。本方法实现了石墨烯生产连续、清洁、环保的技术效果，推动了石墨烯干粉的产业化生产。进一步，在高混机中一步完成剪切剥离，均匀化分散，不仅最大限度的保留了石墨烯的层面结构，而且可以连续稳定制备石墨烯材料，不破坏石墨烯的表面完整性和拓扑对称性，进一步保证了石墨烯成品的质量。

技术领域

本发明涉及纳米材料加工领域，具体涉及一种微波辅助搅拌快速制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由一层碳原子组成的平面碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六方的晶格组成。石墨烯中的碳原子之间由σ键连接，赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。而且，在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。在光学方面，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯具有奇特的力学、光学和电学性质，石墨烯拥有十分广阔的发展前景。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，机械物理剥离法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。

中国发明专利申请号201210292680.X公开了一种薄层石墨烯层间包含金属颗粒的高导热散热材料的制备方法，首先将石墨与双氧水混合，再加入三氧化硫的发烟硫酸，制备硫酸插层石墨，水洗并干燥，在经过微波处理，得到膨胀的薄层石墨烯，超声解理，干燥；采用氢气还原得到石墨烯。但是，该方法采用微波手段获得膨胀石墨，不能应用于电极材料的大规模生产，操作过程复杂，制备的石墨烯层内存在杂质，电性能不好。

中国发明专利申请号201510591780.6 提供了一种利用液相剥离法制备石墨烯的方法，该方法包括：首先制备一定浓度的十二烷基苯磺酸钠乙醇溶液，并将膨胀石墨过筛，然后通过磁力搅拌将过筛后的膨胀石墨溶于十二烷基苯磺酸钠乙醇溶液中，再将上一步制备的膨胀石墨微波处理5min，微波处理后的溶液冰浴条件下超声剥离，获得石墨烯。该方案石墨烯片层较薄，层数在十层以内，结构缺陷小，导电性能好。但是该方法仅限于采用十二烷基苯磺酸钠，而十二烷基苯磺酸钠会刺激眼睛、刺激呼吸系统，对人体伤害。

中国发明专利申请号201510777025.7公开了一种大尺寸氧化石墨烯或石墨烯的制备方法，该发明石墨在插层剂和膨胀剂的作用下，充分释放层间空间以削弱层间相互作用力,得到石墨烯聚集体,再采用喷雾干燥法对石墨烯干燥处理，获得石墨烯材料。本发明原料廉价，过程简单、易控，固液分离快速高效，便于工业化大规模生产，同时也避免了高能超声波、高速剪切或流体粉碎对氧化石墨烯晶体结构的破坏。然而，该方法在生产过程中，需要等待石墨插层完毕，剥离完毕后在经过喷雾干燥，即不能够连续化生产，降低石墨烯的生产效率，使得应用受到局限。

中国专利公开号201310637197.5提供一种石墨烯分散剂和剥离剂，由萘四甲酸二酰亚胺单元、阴离子基团和烷基链三个部分组成。本发明具有优异的石墨烯分散能力。使用所述石墨分散剂通过超声方法制备的石墨烯没有经过氧化-还原的过程，缺陷含量低，制备成本低。虽然该分散剂是水溶性的，但是仍然存在萘四甲酸二酸酐单元，原料价格昂贵，成本仍然很高。