[发明专利]由焦炭或煤直接超声处理生产石墨烯片

说明书

提供了一种由焦炭或煤粉的供应源来生产孤立的石墨烯片的方法，所述焦炭或煤粉在其中含有六方碳原子域和/或六方碳原子中间层。所述方法包括：(a)将所述焦炭或煤粉的颗粒分散在其中含有任选的表面活性剂或分散剂的液体介质中，以产生悬浮液或浆料，其中所述焦炭或煤粉选自石油焦炭、煤衍生的焦炭、中间相焦炭、合成焦炭、风化褐煤、无烟煤、褐煤、沥青煤、或天然煤矿粉、或其组合；以及(b)将所述悬浮液或浆料暴露于在一定能量水平下的超声处理持续足够长的时间，以产生所述孤立的石墨烯片。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年6月26日提交的美国专利申请号15/193,092的优先权，该专利申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及一种直接由天然煤或煤衍生物(例如，针状焦炭)使用直接超声处理生产孤立的薄石墨烯片(单层或少层)的方法。

背景技术

单层石墨烯片由占据二维六方晶格的碳原子构成。多层石墨烯是由多于一个石墨烯平面构成的片晶。单独的单层石墨烯片和多层石墨烯片晶在本文中统称为纳米石墨烯片晶(NGP)或石墨烯材料。NGP包括原生石墨烯(基本上99％的碳原子)、微氧化石墨烯(按重量计<5％的氧)、氧化石墨烯(按重量计≥5％的氧)、微氟化石墨烯(按重量计<5％的氟)、氟化石墨烯(按重量计≥5％的氟)、其他的卤化石墨烯以及化学官能化石墨烯。

已发现NGP具有一系列不寻常的物理、化学和机械特性。例如，发现石墨烯表现出所有现有材料的最高固有强度和最高导热率。尽管未预想石墨烯的实际电子器件应用(例如，替换Si作为晶体管中的骨架)在未来5-10年内发生，但其作为纳米填料在复合材料中以及作为电极材料在储能器件中的应用即将到来。大量可加工的石墨烯片的可用性对于成功开发石墨烯的复合材料、能量和其他应用是至关重要的。

我们的研究小组最先发现石墨烯[B.Z.Jang和W.C.Huang,“Nano-scaledGraphene Plates[纳米级石墨烯板]”,2002年10月21提交的美国专利申请号10/274,473；现为美国专利号7,071,258(07/04/2006)]。最近，我们综述了生产NGP和NGP纳米复合材料的方法[Bor Z.Jang和A Zhamu,“Processing of Nano Graphene Platelets(NGPs)andNGP Nanocomposites:A Review[纳米石墨烯片晶(NGP)和NGP纳米复合材料的加工：综述]”,J.Materials Sci.[材料科学杂志]43(2008)5092-5101]。我们的研究已经产生了一种用于无化学品式生产孤立的纳米石墨烯片晶的方法，该方法是新颖的，因为它未遵循下文概述的生产纳米石墨烯片晶的既定方法。此外，该方法具有增强的实用性，因为它有成本效益，并且提供了新颖的石墨烯材料(在显著降低环境影响的情况下)。已遵循四种主要的现有技术方法来生产NGP。如下简要概述它们的优点和缺点：

方法1：氧化石墨(GO)片晶的化学形成和还原

第一种方法(图1)需要用插层剂和氧化剂(例如，分别为浓硫酸和硝酸)处理天然石墨粉以获得石墨插层化合物(GIC)或实际上氧化石墨(GO)。[William S.Hummers,Jr.等人，Preparation of Graphitic Oxide[氧化石墨的制备]，Journal of the AmericanChemical Society[美国化学会志],1958，第1339页]。在插层或氧化之前，石墨具有大约0.335nm的石墨烯平面间间距(L_d＝1/2d₀₀₂＝0.335nm)。在插层和氧化处理的情况下，石墨烯间间距增加到典型大于0.6nm的值。这是石墨材料在该化学路线过程中经历的第一膨胀阶段。然后使用热冲击暴露法或基于溶液的超声处理辅助的石墨烯层膨化(exfoliation)法使所得GIC或GO经受进一步膨胀(常常被称为膨化)。