[发明专利]一种高效制备石墨烯的方法

说明书

本发明属于石墨烯的制备技术领域，具体涉及一种高效制备石墨烯的方法，包括如下的步骤：(1)氧化石墨的制备→(2)氧化石墨的真空高温膨化→(3)一氧化碳还原，本发明方法具有比传统合成方法具有更高的效率和产品合格率。在合成氧化石墨的过程中引入超声波，使反应试剂能进入石墨的最里层，使反应更彻底和提高反应速率。在生成石墨烯结构的膨化过程中，采用抽真空高温膨化的方法来提高氧化石墨膨胀效率，提高单层石墨烯的比例。在还原石墨烯的过程中，采用一氧化碳使反应更完全。新的方法不仅能够大大提高产物的反应速率，而且生成的石墨烯结构完整，层数能够保证在三层以下，石墨烯的性能优异。

技术领域

本发明属于石墨烯的制备技术领域，具体涉及一种高效制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯具有优异的性能，自石墨烯发现以来，科学家就一直寻找合适的制备石墨烯的方法。从合成石墨烯的原料来分主要有两种方法：(1)从本身具有石墨烯层片的碳同素异性中剥离来得到石墨烯，制备方法有机械剥离法、还原氧化石墨法、剖开碳纳米管法等；(2)用含碳的原料先合成碳骨架，再拓展得到石墨烯，合成方法有化学气相沉积法、有机合成法等。

还原氧化石墨法是用还原剂将制得的氧化石墨还原剥离从而得到石墨烯。大致过程为先将石墨氧化，再剥离得到氧化石墨烯，利用还原剂还原氧化石墨烯，最终得到石墨烯。这种方法适合工业化大规模生产，工艺简单，成本较低，但是存在反应不完全的缺点。

制备氧化石墨是将强氧化剂，强酸和石墨反应，这样会在石墨层中引入含氧官能团，使得石墨层间的范德华力变弱更易剥离。氧化石墨的制备早在1860年就已经出现，现在常用方法有Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法是目前实验室最常用的方法。该方法采用浓硫酸、硝酸钠和高锰酸钾作为氧化体系将石墨氧化，反应分别经过低温0～5℃阶段、中温35℃阶段以高温98℃阶段。此法能在较短的时间内达到较高的氧化程度，有利于工业化生产。

制备出氧化石墨后需要进行剥离，主要的方法有热膨胀剥离法、静电斥力法、超声波剥离法。根据前人的研究结果表明热膨胀剥离法是最理想的方法。该方法是将制得的氧化石墨置于氮气保护下，在高达800℃的高温下热处理1分钟左右，在高温下，氧化石墨中的官能团会迅速分解并产生气体使氧化石墨瞬间膨胀开裂。在氩气保护下对氧化石墨进行热膨胀处理，最后制得的产物纯度不高，而且产物过多的话瞬间产生的气体会使反应容器炸裂，影响产量，缩短容器使用寿命。

由于氧化石墨烯仍然含有氧基官能团，破坏了大π键共轭结构，从而使得其不具有优异的导电性能，所以必须对氧化石墨烯还原。现在学术界常用的还原剂是水合肼，Stankovich等人使用水合肼在水中对氧化石墨烯进行还原，结果表明产物为石墨烯并且可以稳定存在于水中。尽管水合肼可行，但是由于其有剧毒，也不适合大规模应用。另一种方法是利用氢气作为还原剂，氢气同样可以还原氧化石墨烯，但是会有爆炸的危险，操作起来要小心，并且氢气往往会处于产物的上方，不能时刻保证产物处于还原气氛下。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效制备石墨烯的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高效制备石墨烯的方法，包括如下步骤：

(1)氧化石墨的制备

S11.以浓硫酸作为反应介质，将浓硫酸的温度降低至1～5℃，以中间相碳微球、KNO₃和K₂MnO₄作为原料，混合搅拌之后，加入两倍浓硫酸体积的蒸馏水，加完蒸馏水之后，升高温度至98～102℃，并打开超声波发生器超声处理1～2h，其中，在加入蒸馏水的过程中整个反应体系的温度控制在5℃以下；