[发明专利]石墨烯片及其制备方法和应用

说明书

本发明属于石墨烯技术技术领域，特别涉及石墨烯片及其制备方法和应用，所示石墨烯的制备方法包括以石墨为阳极，钛网为阴极，在无机电剥离液中进行电化学阳极剥离的步骤，以获得I_D/I_G＝0.30～0.31且仅边缘被N和/或O功能化的石墨烯片。本发明所提供的石墨烯片横向尺寸可超过5μm，厚度范围在4～10层，可用于制备结构近似于乱层石墨结构的石墨烯薄膜。

技术领域

本发明属于石墨烯技术技术领域，特别涉及石墨烯片及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯作为研究最深入的二维碳同素异形体之一，由一层排列在蜂窝晶格中的共轭碳原子组成，具有优异的导电性(6000S·cm^-1)和高导热性(5300W·m^-1·K^-1)。单层结构赋予石墨烯以柔韧性。这些独特的特性使石墨烯成为一种有前途的替代构件，可以为下一代便携式设备制造高导热、出色的EMI(electro magnetic interference，电磁干扰)屏蔽且仍具有柔性的界面宏观材料。早期的报道表明，将石墨烯分散在聚合物基体中可以提高复合材料的有效导热性和导电性，从而提高EMI屏蔽效果。然而，具有5-15wt％石墨烯片的复合薄膜负载的厚度在1-3mm之间，因此并不适用于柔性电子设备。碳基泡沫复合材料也显示出高性能的EMI屏蔽。但是，制造这些碳基泡沫涉及复杂的模板和蚀刻制造工艺，不适合大规模生产。

一种潜在的替代方法是基于层压柔性氧化石墨烯(laminated flexiblegraphene oxide，GO)薄膜的制造。从应用的角度来看，这种独立式层压板似乎是一种有效的材料，这主要是因为GO薄膜具有出色的机械强度和柔韧性，并且可以通过局部高温还原(partial high-temperature reduction)来控制电学和热学性能。这些因素的组合使还原GO层压板成为具有EMI屏蔽性能和热管理(thermal management)潜力大的材料。然而，现有技术中一般采用Hummer方法(Hummer’s method)合成GO，此方法存在大量的化学废物和能源消耗的增加问题，因此被认为与具有成本效益的工业规模化生产并不兼容。

在原理上GO的生产可以通过直接物理剥离纯石墨(pristine graphite)的方法绕过Hummers。在现有技术中存在多种物理剥离技术，最流行的一种是由外部超声波或高剪切力触发的液相剥离(liquid phase exfoliation)方法。然而物理剥离方法的主要缺点在于生产的石墨烯片的横向尺寸相对较小(通常为1μm)，这导致由该途径生产的独立式石墨烯层压板的机械性能较差。

最近，电化学剥离成为一种环境友好型且可大规模生产高质量石墨烯片的有效途径。石墨电极由嵌入的电解质物质引起的机械膨胀促进了剥离过程。插层反应和随后的膨胀反应由直流电流驱动。根据石墨电极是阳极还是阴极，插层反应可以分为电极的阳极氧化或阴极还原。阴极剥离产生相当高质量的石墨烯片，但与阳极剥离相比，产量要小得多。另一方面，阳极法可用于部分氧化或功能化石墨烯的大规模生产。除了原位功能化的多功能性外，电化学剥离产生横向尺寸相对较大的石墨烯片，通常超过10μm。尽管在电化学剥离领域正在进行积极的研究，但石墨烯在实际生产中采用该方法存在生产电极受能量存储或导电涂层的限制(参见A.M.Abdelkader等Acs Applied MaterialsInterfaces2014,6,1632-1639，K.Parvez等J Am Chem Soc 2014,136,6083-6091，A.M.Abdelkader等ChemCommun 2014,50,8402-8404，Y.L.Zhong等J Am Chem Soc 2012,134,17896-17899)。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种电化学阳极剥离石墨烯的方法。