[发明专利]一种低粒度石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，尤其涉及一种低粒度石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，石墨烯是由sp2杂化的碳原子蜂窝状六角结构紧密排列而成的二维单原子层片状晶体材料，具有大π共轭体系和最薄单层原子厚度的结构，这使得其拥有独特的光、电、磁、机械等物理性能和化学性质，自2004年发现以来，石墨烯不仅在理论科学上受到了极大关注，在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域具体实际应用中也有很高的开发潜力和应用价值。

石墨烯的主流制备方法为微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀法和氧化石墨还原法。微机械剥离法操作简单、制备的石墨烯质量高，但石墨烯尺寸不稳定，生产效率低、成本高，不适合大规模生产；外延生长法可大面积地制备出均匀的单层石墨烯，但现有转移方法大多是将金属基体腐蚀掉，不仅会造成石墨烯结构的破坏、基体金属的残存和环境污染，而且会显著增加石墨烯的制备成本；化学气相沉淀法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法，但是制备出的石墨烯存在晶粒尺寸小、层数难以控制等问题；氧化石墨还原法也被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一。该方法操作简单、制备成本低，可以大规模地制备出石墨烯，已成为石墨烯制备的有效途径。其他制备石墨烯的方法还有碳纳米管切割法、石墨插层法、离子注入法、高温高压HPHT生长法、爆炸法以及有机合成法等。

石墨烯的应用一般是添加到其他辅助材料中形成均匀的复合材料，因此，石墨烯内部结构的稳定性和整体尺寸的均一性是决定石墨烯在实际应用中能否体现其优异性能的关键，尤其在电池和显示屏等领域，石墨烯尺寸的均一性尤为重要。但是，石墨烯的单层结构使得石墨烯在制备过程中极易团聚，若要制得尺寸均匀的石墨烯必须对其成品进行细化处理，一般为强力的机械碾磨，机械碾磨制得的石墨烯粒度一般在几微米到几十微米之间，碾磨效果不太理想还破坏了石墨烯的内部结构。因此，应探索一种温和的处理方法，在不破坏内部结构的前提下制备尺寸均匀的低粒度石墨烯。

发明内容

本发明针对现有石墨烯制备过程中尺寸不均匀和破坏内部结构的问题，提供一种低粒度石墨烯的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种低粒度石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将聚合物粉末和石墨烯前驱体混合均匀后平均分成5-10份；

2)向锥形玻璃容器中加入溶剂，置入20-40℃的恒温水浴100r/min匀速搅拌，间隔10-20min加入一份聚合物和石墨烯前驱体混合物，完全加入后搅拌10-15h制得纺丝原液；

3)将纺丝原液转移至计量泵中，采用湿法纺丝制备聚合物-石墨烯前驱体纤维；

4)将聚合物-石墨烯前驱体纤维剪成5-10mm的聚合物-石墨烯前驱体短纤，将聚合物-石墨烯前驱体短纤置入加热炉中，通入N₂流，逐步升温使石墨烯前驱体转变为石墨烯，反应2-4h后停止加热，待温度降至室温后停止N₂流，取出聚合物-石墨烯短纤；

5)向锥形玻璃容器中加入溶剂和聚合物-石墨烯短纤后置入40-70℃恒温水浴200r/min匀速搅拌至聚合物-石墨烯短纤全部溶解；

6)将溶液过滤，用脱盐水洗涤未溶物，得石墨烯粉末。

其中，

所述聚合物为线型聚合物，为聚丙烯腈、聚乙烯、聚乙烯醇中的一种。

所述石墨烯前驱体为氧化石墨烯与还原剂、纳米金刚石的一种，所述还原剂为硼氢化钠、柠檬酸钠、维生素c中的一种。

所述聚合物粉末和所述石墨烯前驱体的质量比为100:1-100:5。

所述溶剂为水、白油、DMSO、DMAc中的一种。

所述纺丝原液中聚合物和石墨烯前驱体的质量和为所述纺丝原液质量百分比浓度为8-12％，步骤2)与步骤5)使用的溶剂为同一种溶剂。

所述聚合物-石墨烯前驱体纤维规格为1-3D/f。

所述步骤步骤5)中所述溶剂与所述聚合物-石墨烯短纤的质量比为100:5-100:10。