[发明专利]一种石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯复合材料及其制备方法和应用。所述石墨烯复合材料的平均层数为1、2或3层，厚度为0.34‑1.25nm，电导率数量级在10⁴‑10⁵s/m。所述石墨烯复合材料的制备方法包括：以水为溶剂，将多层石墨、大分子聚合物加入其中，混匀，研磨和/或超声，得到石墨烯复合材料分散液，再冷冻干燥，制得石墨烯复合材料。本发明在多层石墨水溶液中添加大分子聚合物，在增加体系粘度的同时，利用剪切力作用实现石墨的剥离和分散，从而制备得到缺陷较少，质量相对较高、导电性较好的单层或少层石墨烯复合材料。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种利用带有磺酸基或磺酰基，主链含苯环结构的大分子聚合物剥离多层石墨的方法，该方法得到的石墨烯材料用途广泛。

背景技术

石墨烯是一种新型二维平面纳米材料，它的问世引起了全世界的关注。由于其特殊的单原子层结构，使石墨烯具有优异的物理化学性质，例如：其比表面积高达2700m²/g、耐热温度高达2800℃、电导率是铜的10⁴倍、强度是已知最强钢的100倍(密度仅为钢的1/6)；另外，它还具有良好的吸波性能、润滑性能等等。这些性能使得石墨烯在纳米电子器件、能量存储、航天军工及新能源等领域均具有重要应用价值。

目前报道制备石墨烯的方法有很多，纵观国内外，石墨烯制备方法主要包括物理法和化学法两大类。其中，物理方法包括机械剥离法、液相或气相直接剥离法等；化学方法包括化学气相沉积(CVD)法、化学合成法、氧化还原法等。但这些方法在制备石墨烯的时候均存在不同程度的缺陷，例如机械剥离法是通过直接从原料剥离来获得单层或少层石墨烯，该方法操作简单，制得的石墨烯质量相对较高，但存在耗时，产率低，产品尺寸不易控制的缺点，不易实现大规模生产；氧化还原法使用强氧化剂和强还原剂，存在腐蚀性强、毒性大、环境成本高等问题，而且已有的方法显示氧化的过程中由于强氧化剂的作用使得获得的氧化石墨烯存在一定程度上的缺陷，还原的过程中又存在可控性差、还原周期较长的缺点，这就极大的限制了该方法的发展。为了进一步实现石墨烯产业化的实际应用需求，制备石墨烯的方法就要同时满足高质量、高产量、低成本的要求，所以寻找一种制备工艺简单，并同时不会造成较高环境成本，不会大幅降低石墨烯性能的简单高效的方法至关重要。

此外，为了有效地体现石墨烯纳米片的功能，石墨烯纳米片应可均匀地分散于复合材料中。现有技术中虽也有利用天然多糖分散石墨烯纳米片的相关报道，但其功能单一，无法在分散的同时兼具剥离功效。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供一种高质量石墨烯复合材料及其制备方法和应用。通过在多层石墨水溶液中添加具有亲水性磺酸基团或磺酰基团的大分子聚合物，在增加体系粘度的同时，利用剪切力作用实现石墨的剥离和分散，从而制备得到缺陷较少，质量相对较高、导电性较好的单层或少层石墨烯复合材料。

本发明是通过如下技术方案实现所述技术效果的。

一种石墨烯复合材料，其平均层数为1、2或3层，厚度约为0.34-1.25nm，电导率数量级在10⁴-10⁵s/m。优选地，所述石墨烯复合材料的厚度为0.34-0.8nm。

本发明还提供一种石墨烯复合材料的制备方法，包括：以水为溶剂，将多层石墨、大分子聚合物加入其中，混匀，研磨和/或超声，得到石墨烯复合材料分散液，冷冻干燥，即得。

优选地，所述制备方法可以不使用其他有机试剂，例如不使用氧化剂、插层剂、还原剂等中的一种或多种。

优选地，所述制备方法仅以水为溶剂，不使用任何有机溶剂。

本发明中，所述多层石墨可选用天然石墨和/或人造石墨；

其中，所述天然石墨可选用天然鳞片石墨和/或土状石墨；