[发明专利]一种大尺寸石墨烯材料的生产方法

说明书

本发明涉及一种大尺寸石墨烯材料的生产方法。本发明的方法主要采用独特结构特征的G物质与石墨进行相互作用，直接一步即可轻易获得大横向尺寸石墨烯的水溶液。本发明可获得横向尺寸非常大、浓度极高的厚度在5层以内的石墨烯，由于采用的是非氧化法，所得石墨烯电导率较高；本发明方法极为简易，无需采用复杂多步骤的工艺流程，且所使用的大多数原料成本较低廉且环境危害性小，非常适合大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种大尺寸石墨烯材料的生产方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子按照六边形排布并相互连接而成的特殊二维材料，因其具有高导电性、高机械强度、超大比表面积、高热导率、高透明性等极其优异的综合物理性能，可以被用来制备高灵敏度传感器、触摸显示屏、超级电池及高效太阳能电池等多种新型器件，在电子、航天军工、新能源等各种领域具有重要应用价值。

要实现石墨烯的大规模工业化生产和实际应用，石墨烯的生产制备方法需至少满足三个重要因素：高质量、大批量、低成本，尽管目前国内外有许多关于石墨烯制备方法的报道，但从高质量、低成本量产等实际需求来看，大多数已报道的石墨烯制备方法都具有各种各样的缺陷。比如，微机械剥离法通过直接从原料剥离来获得高质量石墨烯，虽然该方法操作相对简单，但具有耗时、产率低下、产品尺寸不易控制等缺点，不适于大批量生产；气相沉积法可以满足规模化生产高质量石墨烯的要求，但同时具有工艺复杂、成本较高的缺陷；氧化法是目前最常用的制备石墨烯的方法，该方法相对容易量产且工艺相对简单，但所获得的石墨烯的物理性能却由于强氧化剂等物质的作用受到较大破坏，虽然近年来人们进一步提出氧化还原法来还原处理氧化石墨烯，使制得的石墨烯产品性能有较大改善，但这类方法中使用的强氧化剂、强还原剂等物质却存在腐蚀性强、毒性大、环境成本高等缺点和问题；中国专利（CN104495828 A）公开了一种液相剥离法制备石墨烯的方法，将多步处理后的石墨加入到有机溶剂（苯系物、液态稠环化合物等）和与石墨烯表面能相似匹配物质的混合液中，超声处理得到石墨烯，该类方法虽避免了传统氧化法对石墨烯性能的破坏，但需使用大量有机溶剂和找到与石墨烯表面能相似匹配物质，并不适合石墨烯大规模工业化量产；Hernandez等人（Nature Nanotechnology 2008, 3, 563-568）通过使用与石墨烯表面能匹配的有机溶剂如NMP制得了高质量石墨烯，但使用的该类有机溶剂与水相比，具有成本太高的致命缺陷，不适合真正的大规模工业化量产，因而寻找一种完全用水来做溶剂生产石墨烯的方法具有极其重要的工业化价值；中国专利（CN103827023 A）和（CN104176727 A）公开了用水做溶剂来制备石墨烯的方法，分别需要不断连续地调节溶液表面张力和事先调配好与石墨烯表面能相似匹配的溶液，但所得石墨烯性能如尺寸等并未报道，且均涉及到需调节溶液表面张力去匹配石墨烯表面能的复杂多步骤工艺环节，并不利于石墨烯的大规模工业化量产；Coleman等人(J. Am. Chem. Soc.2009, 131, 3611–3620)通过利用十二烷基苯磺酸钠的π-π作用和库伦静电排斥力在水中制得了性能较好的石墨烯，但所获得石墨烯分散液浓度却很低(0.002～0.05g/L)，不适合大规模量产；此外，Xu等人（Nature Communications 2014, 5, 3689）在2014年报道了石墨烯物理性能如热导率与其横向尺寸成正比的研究结果，指出了制备大横向尺寸石墨烯的重要性，而大多数以往研究报道中所获得的石墨烯横向尺寸都较小，大多为纳米级或几微米级，因而难以满足很多工业化生产和应用中对石墨烯的性能要求。

近年来，人们不断提出其他许多新的石墨烯制备方法，但通常都会涉及如制备工艺复杂、成本高、环境危害大等等一系列问题，能同时满足高质量、大批量、低成本三个重要因素的石墨烯制备方法很少。