一种制备石墨烯的方法
【专利摘要】本发明属于碳材料制备【技术领域】，公开了一种基于液相剥离法及水热法的制备石墨烯的方法。一种制备石墨烯的方法，包括如下步骤：将石墨粉末和水加入反应釜中；密闭后进行搅拌并加热，加热至反应温度后恒温持续搅拌反应；反应结束后冷却，将反应釜内的混合溶液取出进行离心分离，下层固体为未反应完的石墨粉末，上层液体即为石墨烯分散液；取石墨烯分散液进行离心分离，所得固体物即为石墨烯。本发明采用水作为溶剂，克服了采用有机溶剂沸点高、有毒性且难去除或者汉森溶解度参数不满足石墨烯溶解度参数导致分散液的浓度较低的不足；制备的石墨烯产率高，缺陷极少，含氧量极低，保持了石墨原有的电学性质。
【专利说明】—种制备石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳材料制备【技术领域】，具体涉及一种制备石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯具有优异的物理、化学和机械性能，制备高质量的石墨烯对石墨烯的应用至关重要。目前制备石墨烯的方法很多，主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、碳化硅外延生长法。机械剥离法制备石墨烯的质量最好，但偶然性很大，对层数控制较为困难；化学气相沉积法制备的石墨烯质量较高，但制得的石墨烯的电子性质受衬底影响很大，而且性能不如机械剥离法制得的石墨烯；氧化还原法可以得到大量单层石墨烯，然而被氧化的石墨难以完全还原，导致石墨烯某些性质的不足；碳化硅外延生长法制得的石墨烯难以从碳化硅衬底上分离开来，不能成为大量制造石墨烯的方法。
[0003]自2008年Coleman课题组采用液相剥离石墨的方法来制备石墨烯以来，液相剥离法取得了较大的发展，不仅用于制备石墨烯而且还用于制备其它的二维纳米材料(如二硫化钥、氮化硼等)。与氧化还原法相比，液相剥离法直接剥离石墨获得了高质量非氧化的单原子层石墨烯，避免了氧化还原法未彻底还原而导致石墨烯大量结构缺陷。这种方法可以被用来生产基于石墨烯的复合材料和薄膜，以及其它许多应用，例如薄膜晶体管、透明导电电极等等。但是，现有的液相剥离法存在有机溶剂沸点高、有毒性并且难去除或者与石墨烯的汉森溶解度参数不匹配无法实现剥离的缺点。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于液相剥离法及水热法的制备高品质石墨烯的方法。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:`[0006]一种制备石墨烯的方法，包括如下步骤:
[0007](I)将石墨粉末和水加入反应釜中；
[0008](2)密闭反应釜后进行搅拌并加热，加热至反应温度后恒温持续搅拌反应；
[0009](3)反应结束后冷却，待冷却后将反应釜内的混合溶液取出进行离心分离，离心后下层固体为未反应完的石墨粉末，上层液体即为石墨烯分散液；
[0010](4)取步骤(3)所述的石墨烯分散液进行高速离心分离，分离所得固体物即为石墨稀。
[0011 ] 优选的，步骤(1)所述石墨粉末为天然鳞片石墨、高定向热解石墨或膨胀石墨中的任意一种制成的石墨粉末，所述石墨粉末的尺寸为10~500微米。
[0012]优选的，步骤(2)所述搅拌反应的搅拌速率为500~1500rpm，反应温度为180~300 °C，反应时间为180~360分钟。
[0013]优选的，步骤(3)所述离心分离的转速为500~lOOOOrpm，离心时间为30~90分钟。[0014]优选的，步骤(4)所述高速离心分离的转速为500~lOOOOrpm,离心时间为5~90分钟。
[0015]优选的，步骤(1)所述将石墨粉末和水加入反应釜中的同时加入表面活性剂和/或插层剂。
[0016]优选的，所述石墨粉末与所述表面活性剂的质量比为1: (O~2);所述石墨粉末与所述插层剂的质量比为1: (O~2)。
[0017]优选的，所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、聚苯乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚胺基苯磺酸钠、聚吡咯、聚噻吩、聚乙撑二氧噻吩、丁内酯、正丙醇或异丙醇中的一种以上；所述插层剂为碱金属、碱土金属、过渡金属、卤素单质、卤素互化物或过渡金属氯化物中的一种以上。
[0018]优选的，所述插层剂为K、Rb、Cs、Ba、Ca、Mn、Fe、Co、N1、fc2、ICl、IBr、MnCl2、CoCl2、FeCl2、FeCl3、CuCl2 或 NiCl2 中的一种以上。
[0019]优选的，所述步骤(4)之前还包括将步骤(3)所述未反应完的石墨粉末重复进行步骤⑴至步骤⑶的步骤。
[0020]本发明的原理:
[0021]液相剥离石墨制备石墨烯，溶剂的选择主要考虑石墨烯在该种溶剂中的剥离和分散浓度最高，根据溶解原则，溶剂分子必须克服和瓦解溶质分子相互间作用力，渗入溶质分子之间和周围，同时溶剂本身分子之间的联系，也要溶质分子渗入和瓦解，因此溶剂分子间、溶质分子间以及溶剂与溶质之间的作用力必须大致相等，此时溶解度最高。由混合焓理
论:
【权利要求】
1.一种制备石墨烯的方法，其特征在于包括如下步骤: (1)将石墨粉末和水加入反应釜中； (2)密闭反应釜后进行搅拌并加热，加热至反应温度后恒温持续搅拌反应； (3)反应结束后冷却，待冷却后将反应釜内的混合溶液取出进行离心分离，离心后下层固体为未反应完的石墨粉末，上层液体即为石墨烯分散液； (4)取步骤(3)所述的石墨烯分散液进行高速离心分离，分离所得固体物即为石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:步骤(1)所述石墨粉末为天然鳞片石墨、高定向热解石墨或膨胀石墨中的任意一种制成的石墨粉末，所述石墨粉末的尺寸为10~500微米。
3.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:步骤(2)所述搅拌反应的搅拌速率为500~1500rpm，反应温度为180~300°C，反应时间为180~360分钟。
4.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:步骤(3)所述离心分离的转速为500~lOOOOrpm，离心时间为30~90分钟。
5.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:步骤(4)所述高速离心分离的转速为500~lOOOOrpm，离心时间为5~90分钟。
6.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:步骤(1)所述将石墨粉末和水加入反应釜中的同时加入表面活性剂和/或插层剂。`
7.根据权利要求6所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:所述石墨粉末与所述表面活性剂的质量比为1: (O~2);所述石墨粉末与所述插层剂的质量比为1: (O~2)。
8.根据权利要求6所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、聚苯乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚胺基苯磺酸钠、聚吡咯、聚噻吩、聚乙撑二氧噻吩、丁内酯、正丙醇或异丙醇中的一种以上；所述插层剂为碱金属、碱土金属、过渡金属、卤素单质、卤素互化物或过渡金属氯化物中的一种以上。
9.根据权利要求6所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:所述插层剂为K、Rb、Cs、Ba、Ca、Mn、Fe、Co、N1、Br2、IC1、IBr、MnCl2、CoCl2、FeCl2、FeCl3、CuCl2 或 NiCl2 中的一种以上。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于:所述步骤(4)之前还包括将步骤(3)所述未反应完的石墨粉末重复进行步骤(1)至步骤(3)的步骤。
【文档编号】C01B31/04GK103771402SQ201310747304
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】刘应亮, 刘向荣, 郑明涛, 肖勇, 雷炳富, 董汉武, 张浩然 申请人:华南农业大学