本发明属于石墨烯功能材料制备技术领域，具体涉及一种基于气体增溶辅助剥离石墨制备石墨烯的方法。
技术背景
石墨烯是由单层碳原子紧密排列而成的二维原子晶体材料，其具有优异的电学、热学和力学性能，从而在柔性电子器件、传感器、复合材料、储能、储氢等领域具有广泛的应用前景。
目前，关于石墨烯的制备方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法；化学方法是化学分散法。
相比于化学法，机械法得到的石墨烯晶型更加完善，容易得到高质量石墨烯，从而更利于发挥石墨烯的各项优异性能。经过对现有技术的检索发现，Novoselov等人采用微机械脱落石墨的方法制备出单晶石墨烯薄膜，并可以在外界环境下稳定存在，且具有金属性(Two-dimensional gas of massless dirac fermions in graphene,Nature,2005,438:197-200.)。然而，此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
以天然石墨为原料，采用超声剥离法，有望大批量生产出数层石墨烯，这有利于实现高结晶度的石墨烯的批量生产。然而，目前报道的方法中，剥离得到的石墨烯分散度不高，剥离效率也很低，这大幅限制了该方法在工业界的普及推广。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于气体增溶辅助剥离石墨制备石墨烯的方法。本发明的制备方法采用高压增溶的气体作为辅助剥离剂，天然石墨作为原料，超声实现石墨的高效剥离，制备得到能在有机溶剂中高浓度分散的石墨烯。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
本发明的目的在于提供一种基于气体增溶辅助剥离石墨制备石墨烯的方法，包括：
1)将天然鳞片石墨、剥离剂和溶剂加入容器中；其中，天然鳞片石墨与溶剂的质量比为1：10000～1：10；天然鳞片石墨与剥离剂的质量比是1：0.5～1：100；
2)密闭容器通入气体至压力1atm～10atm并保持1h～48h，实现气体在溶剂中的增溶；
3)对气体增溶后的悬浮液进行超声处理，超声功率100～800W，超声时间5～100h；
4)对超声处理后的溶液进行离心分离(先低速离心再高速离心)，分离得到固体物即为石墨烯。
优选地，所述步骤1)中的天然鳞片石墨的尺寸为50～10000目。
优选地，所述步骤1)中的天然鳞片石墨与溶剂的质量比为1：5000～1：100；天然鳞片石墨与剥离剂的质量比为1：0.5～1：10。
优选地，所述步骤1)中的剥离剂选自硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、卵磷脂、氨基酸、甜菜碱、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯、聚氧乙烯、多元醇等表面活性剂的一种或几种组合。
优选地，所述步骤1)中的溶剂选自水、乙醇、甲醇、丙酮、丙醇、丁醇、乙酸、乙酸乙酯、N甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、己烷、甲苯、苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯乙二醇醚和三乙醇胺等的一种或几种组合。
优选地，所述步骤2)中的气体选自空气、氮气、氧气、氩气、氢气、二氧化碳、甲醛、乙炔、甲烷、氦气、硫化氢、二氧化硫、丙烷等的一种或几种组合。
优选地，所述步骤2)中的压力为5atm～8atm。
优选地，所述步骤2)中的压力保持时间为18h～36h。
优选地，所述步骤3)中的超声功率为500～700W，超声时间为5～24h。
优选地，所述步骤4)中的离心处理包括低速离心和高速离心两个阶段；其中，低速离心以除去大石墨颗粒，低速离心速度为200～2000rpm，低速离心的总时间为20～180min；高速离心以收集石墨烯，高速离心的速度为8000～12000rpm，高速离心的时间为每次10～60min。
与现有技术相比，本发明的积极效果如下：
(1)本发明的制备方法采用石墨作为原材料，价格便宜成本低，较易剥离成石墨烯，并且可大大提高产率；
(2)利用增溶气体为辅助剥离剂，增溶的气体围绕在石墨片的周围，在超声剥离过程中，与剥离剂一起进入石墨片层间，超声能量致使片层中增溶的气体迅速膨胀，与剥离剂一起实现石墨片层的迅速剥离，因此该工艺可大幅提高了石墨的剥离效率，较为安全、环保且环境友好；
(3)制备方法对设备要求简单，操作方便，生产步骤少，适合于大规模生产。
(4)采用本发明的制备方法得到的石墨烯结构缺陷少，层数少，浓度高，且很好地保留了石墨烯的优异性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的石墨烯透射电子显微图像。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
1)将5mg 500目天然鳞片石墨(青岛天元石墨有限公司)，5mg十二烷基苯磺酸钠和10mL水加入密闭容器中；
2)密闭容器中通入二氧化碳，至压力为5atm，并保持24h，实现二氧化碳的增溶；
3)泄压后，对含有增溶气体的悬浮液在功率100W进行超声处理5h；
4)对超声处理后的溶液在500rpm低速离心40min；再经10000rpm高速离心3次，每次离心10min，分离得到固体物质即为片层二维石墨烯。
经此过程处理得到的石墨烯产率比未经气体增溶处理的石墨烯产率提高了200％。图1是制备的石墨烯透射电子显微镜图像，可以看出二维片层石墨烯堆砌成透明薄层。
实施例2
步骤如实施例1，将500目天然鳞片状石墨变为10000目天然鳞片石墨，其他条件与实施例1相同。经此过程处理得到的石墨烯产率比未经气体增溶处理的石墨烯产率提高了400％。
实施例3
步骤如实施例1，将溶剂水变为N，N-二甲基甲酰胺，其他条件与实施例1相同。经此过程处理得到的石墨烯产率比未经气体增溶处理的石墨烯产率提高了300％。
实施例4
步骤如实施例1，将剥离剂十二烷基苯磺酸钠变为聚氧乙烯，其他条件与实施例1相同。经此过程处理得到的石墨烯产率比未经气体增溶处理的石墨烯产率提高了250％。
实施例5
步骤如实施例1，将气体换成乙炔，其他条件与实施例1相同。经此过程处理得到的石墨烯产率比未经气体增溶处理的石墨烯产率提高了270％。
实施例6
步骤如实施例1，将超声功率变成800W，其他条件与实施例1相同。经此过程处理得到的石墨烯产率比未经气体增溶处理的石墨烯产率提高了350％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。