[发明专利]一种石墨烯及其绿色制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯及其绿色制备方法。所述绿色制备方法包括：将研磨体、辅助磨介与石墨进行干磨，得到粉末，然后将所述粉末进行洗涤、干燥，得到石墨烯；所述辅助磨介为有机小分子，所述辅助磨介的分子量为100～5000；所述研磨体为直径1～20mm的球体。本发明提供的石墨烯制备方法具有高的产率以及剥离效率等特点，同时制备得到的石墨烯具有比横向尺寸均一、厚度层数少等优点，适用于推广于大规模化制备少层石墨烯。

技术领域

本发明涉及碳纳米材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯及其绿色制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种sp2杂化二维蜂窝状新型碳纳米材料，2004年英国曼切斯特大学安德烈和康斯坦丁等人通过微机械剥离法成功制备石墨烯至今石墨烯一直是国内外的研究热点之一；研究已发现石墨烯具有许多优异的性能如优异的导电性、良好的光学性能、较高的热导率、优良的力学性能等，在电子学、光学、磁学、生物学、材料学等领域中都具有广泛的应用前景。

由于石墨烯具备广泛的应用范围，被发现以来，研究人员开发出各种制备方法，到目前为止，这些制备方法大体分为两类：一类称为自下而上的方法如化学气相沉积法；另一类是称为自上而下方法如机械剥离、电化学、氧化还原法、插层剥离法等。在这么多的制备方法中，机械剥离方法中的球磨法普遍认为是有望可实现高效规模化技术之一。但许多基于机械剥离的方法中仍然需要使用有毒溶剂如NMP、DMF或者苛刻条件或者腐蚀性的酸，导致大量的有害废物产生。虽然一些绿色可持续制备石墨烯的方法已经报道，如水中的液体剥离、水中超临界流体剥离或者球磨中添加绿色辅助分子如干冰、纤维素和蔗糖等。然而这些方法中依然面临着产率低或者制备时间长的缺点。因此开发一种改进型的高效机械剥离法绿色制备石墨烯方法仍然是一种挑战，具有重大技术改进意义和广阔前景。

发明内容

本发明提供一种石墨烯及其绿色制备方法。本发明提供的制备方法通过机械振动可绿色规模化制备少层石墨烯，操作简单、原料易得、高效绿色剥离、产率高，制备得到的石墨烯具有比横向尺寸均一、厚度层数少等优点，适用于推广于大规模化制备少层石墨烯。

本发明提供一种石墨烯的绿色制备方法，包括：将研磨体、辅助磨介与石墨进行干磨，得到粉末，然后将所述粉末进行洗涤、干燥，得到石墨烯；所述辅助磨介为有机小分子，所述辅助磨介的分子量为100～5000；所述研磨体为直径1～20mm的球体。

本发明中，提供的石墨烯绿色制备方法，在传统主磨介条件下引入有机小分子作为辅助磨介，引入的小分子物质在研磨机的机械振动过程中与石墨表界面产生吸附作用，形成超分子的网络排布。在强的机械振动的正向和剪切力作用下，这种超分子网络排布可以促进石墨片层的分离被碎化和剥离成少层石墨烯。同时，随着振动时间的增加，石墨片层尺寸逐渐减小，而这种超分子网络结构的相互作用会进一步阻止石墨烯片层碎化成更小的量子点结构。这种小分子作为辅助磨剂辅剥离制备石墨烯的多种剥离机制协同可以起到极大提高石墨烯的剥离效率。从而实现少层石墨烯的高效制备，尤其是采用葡萄糖分子作为辅助磨介，其石墨烯的剥离产率接近100％，剥离效率可高达97％。相对于传统机械剥离法，该方法具有更高的剥离效率、绿色环保以及更高的产率等特点。可推广适用于石墨烯的规模化生产，这将对石墨烯的众多应用及其产业化起到极大的推进作用。

根据本发明提供的石墨烯的绿色制备方法，所述辅助磨介的分子量为100～350；和/或，所述辅助磨介为三聚氰胺、葡萄糖、果糖或蔗糖。

本发明中，采用上述辅助磨介在石墨表面由于吸附作用，自身分子能够行程超分子网络促进石墨的正向和剪切剥离和防止石墨烯尺寸的进一步碎化，从而实现石墨烯的高效剥离；尤其是，通过采用上述机械振动的方法，能够更好的解决机械剥离过程中的剥离时间长、产率低的技术问题，从而实现石墨高效剥离，通过采用小分子辅助机械振动进一步提高石墨烯的剥离效率，减少剥离时间。