[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯的制备方法。硝酸石墨插层化合物与硝基甲烷混合配置成液体炸药，置于爆轰反应釜中，注入足量CO₂做保护介质，点火引爆药柱，爆炸物分解产生大量气体，可有效剥离石墨片层，CO₂吸收热量迅速转化为超临界状态，可以持续剥离石墨片层。本发明方法中CO₂可利用爆炸带来的热量迅速进入超临界流体状态，持续将爆炸产生的热量传输给未分解完全的硝酸分子，并同时利用超临界流体自身特点继续剥离石墨片层，避免了爆炸冲击力作用时间短导致片层剥离不充分的缺点。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，尤其涉及一种液体炸药爆轰制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种完全由碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有最薄、最牢固、高硬度、高导热系数、高电子迁移率、几乎完全透明等特性，可用来发展更薄且导电速度更快的新一代电子元件、透明触控屏幕、气体传感器、复合材料、场发射材料等，广泛应用于电子、化工、传感器、储氢材料、太阳能电池、半导体材料、纳米器件等领域。

爆轰法利用炸药在爆炸瞬间释放出大量能量，对周围物体产生强烈地破坏作用，反应速度快，能量密度高，做功强度大，在众多纳米材料的制备方法中独树一帜。近几十年来，许多研究工作者利用爆轰法制备出了金刚石、石墨、富勒烯碳、碳纳米管、碳包覆金属纳米材料、氮化硼等，研究了前驱体、催化剂、惰性介质、爆炸当量等对生成产物的种类、含量、尺寸、结构、形貌、物化性能的影响，对合成与制备机理做了广泛的分析。爆轰制备技术具有工艺简单、效率高等特点，在石墨烯制备领域具有广阔的研究及应用前景。但是，利用爆轰法高效制备少层石墨烯的报道非常少见。

孙贵磊在专利号为CN200710010117的《爆轰制备片状纳米石墨粉的方法》的发明专利中采用在酸性环境下直接引爆、分解GICs，对石墨层的膨胀剥离作用远大于采用一般膨胀石墨粉的爆轰裂解方法，更容易合成纳米厚度的片状石墨。孙贵磊又在《爆炸与冲击》期刊上发表了《利用液体炸药爆轰制备石墨烯薄片》的文章，进一步阐述了以发烟硝酸与硝基甲烷为液体炸药组分，可以制备出具有完整的片状结构石墨烯薄片，薄片平均厚度约为14.73nm。但是，单层石墨烯结构的厚度为0.335nm，这种方法虽然有效降低了石墨的厚度，但是平均起来仍有44层厚，无法大量得到单层或少层石墨烯。化学爆炸反应一般在10^-5-10^-6s间完成，对周围物体产生强烈地破坏作用，石墨外围液体环境会被冲击力瞬间破坏，来不及分解的硝酸也会脱插，导致无法逐层分解石墨烯。

超临界流体具有类似气体的扩散性质，其界面张力为零，“无孔不入”，容易实现石墨插层，常用的超临界CO₂，具有临界条件温和、无毒、惰性、价廉以及与产物易于分离等优点，在纳米复合材料制备方面的应用非常广泛，将其应用于直接剥离法制备石墨烯，避免了使用大量有机溶剂，且经过简单的泄压操作即可实现产物分离，后续操作较液相剥离法大大简化。但是，仅仅依靠超临界CO₂的作用不足以将石墨直接剥离为单层/双层石墨烯。

发明内容

针对目前存在的技术缺陷，提出了一种石墨烯的制备方法，通过在密闭的爆轰体系中添加CO₂气体，依靠爆轰法产生的大量热量以及部分CO₂气体，使CO₂气体瞬间进入超临界状态，承接爆轰法对片层的剥离作用。首先，将石墨与发烟硝酸混合制备石墨插层化合物，加入硝基甲烷，配置成液体炸药；然后，将混合液体装入特定的塑料容器中，并将其置于爆轰反应釜的中心位置；其次，注入足量CO₂做保护介质，使爆炸反应釜中CO₂压力接近或超过7.38MPa；最后，点火引爆药柱，剥离石墨片层，另外，CO₂吸收热量迅速转化为超临界状态，可以持续剥离石墨片层。

本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤；