[发明专利]一种高品质石墨烯及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高品质石墨烯及其制备方法，通过以下方式实现：步骤1，向石墨粉中加入氧化剂溶液进行微膨，得到微膨石墨溶液；步骤2，将微膨石墨溶液过滤后进行洗涤、纯化、干燥，获得微膨石墨粉；步骤3，对微膨石墨粉进行微波等离子体处理，获得石墨烯。该石墨烯的层数为1～3层，石墨烯的比表面积≥800m²/g，粉末电导率≥1900S/m，热导率≥1000W/(m·K)。本发明将微波等离子体技术引入制备石墨烯的过程中，以石墨粉等为原料通过特定工艺方法制备石墨烯，从而改进了现有氧化还原法反应时间长、石墨烯缺陷多、废液对环境污染的问题，适合于石墨烯的快速高效制备和生产，制备得到的石墨烯具有成本低、层数可控、比表面积大、导电率高的优点。

技术领域

本发明涉及一种高品质石墨烯及其制备方法，属于石墨烯制备技术领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)最早是2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现的一种碳纳米材料，它由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂窝晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料(见图1)。在二维平面上碳原子未成键的P轨道在整个平面上形成了大π键。

石墨烯独特的晶体结构使其具有一系列特殊的性能，如超大的比表面积、优异的光学性能、良好的导电性和导热性、高的力学强度、高载流子浓度迁移率等。石墨烯的上述优异性能使其在纳米电子器件、复合材料、效应晶体管、柔性显示、电极材料、传感器、航空航天等领域拥有广阔的应用前景。

石墨烯的优点：(1)石墨烯的理论比表面积达到2630m²/g，易于吸附原子和分子，使得其在高灵敏度传感器和气体存储领域得到广泛应用；(2)石墨烯的光学透过率高达97.3％，近乎透明，可以作为未来柔性显示的最佳材料；(3)石墨烯室温下载流子迁移速率高达200000cm²/(V·s)，是硅的140倍，在电子器件和晶体管领域效果突出；(4)石墨烯的理论电导率为10⁴S/m，是室温下导电性最佳的材料，理论热导率高达5000W/(m·K)，是室温下铜的热导率的10多倍，也是目前热导率最高的材料，在复合材料、电极材料、传感器等领域具有良好的应用潜力；(5)石墨烯的杨氏模量高达1TPa，是钢的10几倍，堪称最硬的材料，可应用于航天航空和复合材料领域。

目前，石墨烯的制备方法较多，常见的制备方法包括微机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法、化学气相沉积(CVD)法和超声剥离法等。在一定范围内它们各具优点，但缺点也很明显。微机械剥离法可以制得微米级的石墨烯，但是其可控性差、产率较低，难以进行规模化生产；采用外延生长法，通过加热在SiC(0001)晶面表面外延生长可获得大面积的单层石墨烯，但是难以获得大面积、厚度均一的石墨烯；超声剥离法工艺简单，但是得到的石墨烯片层较厚并且易二次叠合；CVD法制得石墨烯的品质较好，但是其产业化也是难题之一；氧化还原法是目前规模化制备石墨烯的主流方法，但是该方法获得石墨烯缺陷较多，在电子领域应用比较困难。

因而，有必要对石墨烯的制备方法进行深入研究，以期获得高品质石墨烯及能够制备高品质石墨烯且能够连续化批量生产的工艺。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高品质石墨烯及其制备方法，将微波等离子体技术引入制备石墨烯的过程中，以石墨粉等为原料通过特定工艺方法制备石墨烯。该方法前段步骤涉及石墨烯的氧化，但是未使用强质子酸和强氧化剂进行深度氧化，只是对其进行预膨胀处理，因此对其表面结构几乎没有破坏，后续采用微波等离子体结合特定工艺参数快速制备得到石墨烯，具有能耗低、速度快、可连续化制备、层数少、比表面积大、导电率高等优点，且未使用浓质子酸从而降低了环保压力；本方法适合于高品质石墨烯的快速制备和生产，成果可以应用于复合材料、导电材料、散热结构、涂料、固体推进剂等研制，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

第一方面，一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：