[发明专利]一种小尺寸单层石墨烯及其制备方法

说明书

本发明公开一种小尺寸单层石墨烯及其制备方法，该方法通过引入浓磷酸并提高强氧化剂添加量对微晶石墨进行高程度的氧化剥离，再结合纯化、超声波粉碎和热还原制得小尺寸单层石墨烯。本发明方法不使用硝酸钠，通过引入浓磷酸并提高强氧化剂添加量对微晶石墨实现高程度的氧化剥离，获得尺寸较小的氧化石墨烯片，该方法不使用过滤手段，通过离心、超声波粉碎和冷冻干燥或真空干燥等手段在减轻氧化石墨烯片团聚的基础上进一步缩小氧化石墨烯片的尺寸和厚度，进而通过热还原获得小尺寸单层石墨烯，克服现有制备方法的弊端。本发明方法制备出的石墨烯尺寸小于1μm，片层平均厚度小于1nm，碳氧元素比高于15，该方法工艺简单，成本低，环境友好。

技术领域

本发明涉及石墨烯领域技术，尤其是指一种小尺寸单层石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种特殊的由sp²杂化碳原子组成的二维单层碳纳米材料，具有优异的导热性、导电性、力学性能和很高的比表面积，因而在新能源、电子信息、新材料和环境保护等方面展露出广阔的应用前景。相比于大尺寸多层石墨烯，小尺寸单层石墨烯具有更多的边缘活性位点，可以更好地与金属粒子、金属氧化物等进行复合或更好地嵌入到高分子等基体中，在相关应用领域中显示明显的优越性。

以Hummers法为基础的氧化剥离还原法是目前制备石墨烯最为常用和有效的方法，但以普通Hummers法对石墨原料进行氧化剥离而获得的氧化石墨烯尺寸不均，大尺寸多层氧化石墨烯比例较高，并且在洗涤过滤过程中氧化石墨烯容易团聚，导致所得氧化石墨烯片及石墨烯片厚度（层数）增加。另外，目前用于制备石墨烯的石墨原料多为鳞片石墨和膨胀石墨等，粒径较大，这也限制了小尺寸单层石墨烯的批量制备。

微晶石墨尺寸较小，并且相比其它石墨原料具有储量丰富、价格低廉等优势。因此以微晶石墨为原料，开发新型的小尺寸单层石墨烯制备技术对于增强石墨烯工业化应用的效果具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种小尺寸单层石墨烯及其制备方法，其对微晶石墨进行高程度的氧化剥离，并结合纯化、超声波粉碎和热还原，制备得到小尺寸且单层的石墨烯，是一种绿色、成本低、条件可控、适合规模化制备小尺寸单层石墨烯的优良方法。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种小尺寸单层石墨烯的制备方法，通过引入浓磷酸并提高强氧化剂添加量对微晶石墨进行高程度的氧化剥离，再结合纯化、超声波粉碎和热还原制得小尺寸单层石墨烯。

作为一种优选方案，包括有以下步骤：

（1）将浓硫酸和浓磷酸均匀混合，再将强氧化剂在搅拌下缓慢加入到上述混合酸液中，待固体完全溶解后将其移入装有微晶石墨的容器中，并在40-60℃水浴中搅拌5-60小时；

（2）将步骤（1）中所得溶液移入装有冰块的容器中，并持续进行搅拌，待冰块完全融化时加入过氧化氢溶液直至溶液变为淡黄色；

（3）待冷却至室温后，将步骤（2）所得的溶液以10000-15000rad/min的速度离心，收集下层溶液并加入质量浓度为10%的稀盐酸溶液进行洗涤，再将所得溶液以10000-15000rad/min的速度离心，收集下层溶液；

（4）向步骤（3）所得溶液中加入去离子水，搅拌均匀后以10000-15000rad/min的速度离心，收集下层溶液，重复上述操作直至下层溶液为中性；

（5）向步骤（4）所得下层溶液中加入去离子水，混合均匀后通过超声波细胞粉碎机处理，再将溶液以4000-6000rad/min的速度离心，收集上层溶液，经干燥后获得氧化石墨烯；

（6）将上述氧化石墨烯进行热还原获得小尺寸单层石墨烯。

作为一种优选方案，所述步骤（1）中浓磷酸占混合酸液的体积百分比为5%-20%。