一种石墨烯的液相制备方法与流程

本发明属于石墨烯的制备方法领域，涉及一种常温常压液相快速制备低缺陷石墨烯的方法。

背景技术：

石墨烯是一种二维形式单原子层的碳单质，被理论和实验验证为一种稳定的单质碳的存在形式，因其具有特殊的物理和化学性质而备受研究者关注。目前其应用非常广泛，如电子电导器件、能源材料等。其合成方法已经从最开始的机械力剥离法扩展到现有的多种合成方法如：化学气相沉积法、外延生长法、液相剥离法、还原氧化石墨烯法等。这些方法均具有一定优势，但不能形成相对于其他方法的绝对优势。例如，化学气相沉积法，虽然制备得到的石墨烯质量较高，但需要大量的催化剂基底，且产量和制备的面积与基底相关性非常大。又如外延生长法需要高温高真空的合成环境，一般的实验室尚且不能达到要求。还原氧化石墨烯制备石墨烯的方法虽然很好的解决了产量的问题，但是经此方法合成的石墨烯多为高缺陷密度的石墨烯，严重限制了其在电子电工领域的应用。为了在保证石墨烯的质量的同时，提高石墨烯的产量，研究者们提出并进行了多次尝试，取得了一定的进展。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题提供了一种快速、简单且能够大规模工业化生产的石墨烯制备方法，且用该方法制得的石墨烯缺陷极低。为获得高质量的石墨烯的制备方法提供了新的途径。

本发明提供了一种常温常压石墨烯的液相制备方法，其包括以下步骤：

常温常压下，将金属碳化物与给质子体在搅拌或球磨条件下反应，然后清洗掉金属盐，离心分离得到的固体物质，干燥后即为所述的石墨烯；

优选地，其中所述常温为0-40℃，所述常压为表压1-10kpa。

优选地，所述金属碳化物为碳化钙、碳化镁、碳化钡、碳化锌中的一种或几种；所述给质子体为水、酸类或醇类中的一种或几种。

优选地，所述球磨用球磨机来进行，球磨机转速不高于50hz。

优选地，所述搅拌或球磨的时间不少于10分钟。

本发明的有益效果：

1、本发明采用常用的金属碳化物作为碳源，经过简单的处理及清洗工艺步骤，即可得到石墨烯。实验中发现，金属碳化物与给质子体反应，大部分碳源以烃的形式挥发，但一部分 碳源经过偶联和重构，可以形成石墨环化结构，即石墨烯。这为石墨烯的制备方法提供了新的途径。这一制备方法为本发明人首次发现。

2、本发明得到的石墨烯缺陷极低，保证了石墨烯的高质量。

3、本发明的副产物烃类经过简单步骤就可以回收利用。

4、本发明的制备方法原料易得价格低廉，工艺步骤简单，反应时间短，得到的石墨烯质量高，特别适宜工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中制备石墨烯反应刚刚结束时，加入大量水，并静置后的照片。

(a)、(b)、(c)分别代表实施例1、2、3的反应结束后的照片。

图2为实施例1中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图3为实施例2中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图4为实施例3中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图5为实施例4中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图6为实施例5中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图7为实施例6中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图8为实施例7中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图9为实施例8中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图10为实施例9中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图11为实施例10中制备的石墨烯的扫描电镜图。

图12为实施例1、2、3中制备的石墨烯的xrd谱图。

图13为实施例1、2、3中制备的石墨烯的raman谱图。

图14为实施例6、7、8中制备的石墨烯的raman谱图。

图15为实施例9、10中制备的石墨烯的raman谱图。

从图2-11的扫描电镜图可以看出所得到的石墨烯的表观形貌为二维层状，且为多层石墨烯；

从图12的x射线多晶粉末衍射谱可以看出所得到的石墨烯具有石墨类材料的标准衍射峰，具有非常高的石墨化程度。

从图13-15的raman谱图可以看出所制备的石墨烯具有非常低的缺陷度。

具体实施方式

实施例1

将1.00克碳化钙加入到10毫升的去离子水(反应溶剂)中，经磁力搅拌十分钟，完成反应。反应结束后，使用10％hcl溶液清洗除掉反应生成的氢氧化钙，离心得到的黑色固体，干燥后即为目标产物石墨烯。

实施例2

除使用10％稀盐酸作为反应溶剂，其他条件与实施例1相同。

实施例3

除使用10毫升10％稀盐酸作为反应溶剂和2毫升的氮甲基吡咯烷酮(nmp，一种强极性溶剂，常作为层状材料的剥层分散剂)作为分散溶剂，其他条件与实施例1相同。

实施例4

除使用10毫升10％稀盐酸作为反应溶剂和2毫升的n,n-二甲基甲酰胺(dmf，一种强极性溶剂)作为分散溶剂，其他条件与实施例1相同。

实施例5

除使用10毫升无水甲酸作为反应溶剂，其他条件与实施例1相同。

实施例6

除使用10毫升无水乙酸作为反应溶剂，其他条件与实施例1相同。

实施例7

除使用10毫升无水乙酸作为反应溶剂和2毫升的n,n-二甲基甲酰胺(dmf，一种强极性溶剂)作为分散溶剂，其他条件与实施例1相同

实施例8

除使用10毫升无水乙酸作为反应溶剂和2毫升的氮甲基吡咯烷酮(nmp，一种强极性溶剂，常作为层状材料的剥层分散剂)作为分散溶剂，其他条件与实施例1相同。

实施例9

除使用10毫升无水甲醇作为反应溶剂，其他条件与实施例1相同。

实施例10

除使用10毫升乙二醇作为反应溶剂，其他条件与实施例1相同。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种石墨烯的液相制备方法。其包括以下步骤：常温常压下，将金属碳化物与给质子体在搅拌或球磨条件下反应，然后清洗掉金属盐，离心分离得到的固体物质，干燥后即为所述的石墨烯。

技术研发人员：孙晓明;王琳;张国新
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2016.03.01
技术公布日：2017.09.12