一种制备高质量石墨烯的简易方法与流程

本发明属于新材料制备领域，具体涉及一种高质量石墨烯简易快速的制备领域。

背景技术：

石墨烯作为一种明星材料，自2010年获得诺贝尔奖以来，由于其优异的导电性、力学强度、光透过率、高活性位点等性质，在各领域具有突出的应用效果，迅速成为科学家们追向争逐的宠儿。众所周知，石墨烯（graphene）中碳原子以sp2杂化形成一种六角蜂窝状平面结构，其中，理论上，石墨烯仅指单原子层厚度的石墨，但由于石墨层间范德华力的作用，完全无缺陷的单原子层石墨烯的制备具有较大的难度，一般很难制备高纯度的单层石墨烯，大部分情况下的石墨烯是指具有少层（2-10层）的石墨片。目前，制备高质量石墨烯的方法主要有：化学气相沉积（cvd），这是一种可以实现高质量石墨烯制备的方法，但其具有较高的生产成本，且暂时无法大规模生产；机械剥离法，典型代表有球磨法，使用这种方法可以大规模制备石墨烯，但是制备的石墨烯层数及其不均匀，且不能控制石墨烯片层的大小，制备的石墨烯质量较差；化学法，典型代表有hummers法，这种方法可以实现石墨烯的高质量制备，但是其制备的石墨烯周期较长，且过程中使用了多种强氧化剂和还原剂，对于后续的处理，又需要大量的溶剂进行清洗分离，会产生极多的污染，不符合目前绿色化学的要求。

截止目前，关于使用氯磺酸制备石墨烯主要有以下一些现有技术，首先，在2010年behabtu,nat.nanotechnol,2010,5,406]等提出一种石墨烯制备的新方法，该方法制备石墨烯过程复杂，周期长，且制备方法受诸多条件限制，不适用于大规模生产；中国专利cn102627272中使用氯磺酸和双氧水共同作用，制备石墨烯，整个反应过程激烈，不利于大规模生产；中国专利cn106145102a中公开了使用膨胀剂和氯磺酸共同作用制备石墨烯，该方法需要先将石墨粉与膨胀剂混合，且过程中后续一直使用氯磺酸，极度危险，不利于工业化生产。

技术实现要素：

本发明为了解决目前制备石墨烯过程中生产周期长、生产成本高、制备的石墨烯质量差等问题，申请人经过长期的研究，多年摸索，现提出如下一种制备高质量石墨烯的方法，具体的，该方法包括以下步骤：

步骤s1：取一定量的石墨粉，先将该石墨粉放在高温烘箱中进行处理，取出后自然将至室温，再向该石墨粉中加入适量的氯磺酸，后不断搅拌上述混合物质，并且同时辅以超声波促进插层剥离，超声0.2-2小时后，停止超声和搅拌，分离出氯磺酸处理后的石墨粉，其中，氯磺酸和石墨粉的质量比为2-60:1；

步骤s2：再向前述氯磺酸处理后的石墨粉末中添加适量的剥离剂，混合均匀，其中，剥离剂和氯磺酸处理后的石墨粉的质量比为0.2-1:1；

步骤s3：最后将前述混合物质放入振动球磨机中进行最后的完全剥离，即可得到高质量的石墨烯，其中，振动球磨机的激振频率为2000-5000次/min，激振强度为6.23-15，球磨时间为1-2.5小时。

进一步的，所述步骤s1中的石墨粉选自人造石墨、膨胀石墨、鳞片石墨和微晶石墨中的一种或几种。所述石墨粉选自粒度不大于50微米，纯度大于99%的石墨粉，氯磺酸选自常规的分析纯实验品。

所述步骤s1中的高温烘箱中处理是指：处理温度为100-150℃，处理时间为0.5-1小时。

所述步骤s1中的超声和搅拌是指：超声频率为50-100khz，搅拌频率为150-250rpm。

所述步骤s2中的剥离剂是指：氯化钠、氯化钾、硝酸钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或几种。

所述步骤s3中优选还包括使用水洗的方式除去剥离剂。

本发明的有益效果：

（1）通过使用本发明提供的方法，可以快速实现高质量石墨烯的大规模制备，尤其是不会产生污染物质，得到的石墨烯具有极大的片层面积，石墨烯的层数分布均匀，且小于2层的石墨烯占比达到70%以上；

（2）本发明提供的方法可以大规模的实现高质量石墨烯的制备，不受反应场所和设备的限制，依据振动球磨机的处理能力，可以实现了每小时千克级的高质量石墨烯生产；

（3）本发明提供的方法中，提供使用搅拌的同时辅以超声处理，可以大幅度的缩短反应时间，并且有利于高质量石墨烯的制备。

（4）本发明提供的方法中，石墨烯片层保持了较好的结构，没有氧化，经测试制备的石墨烯，具有很好的导电、导热性能，其中电子迁移率超过10000cm²/（v·s），导热系数高达4400w/（m·k）。

附图说明

图1为本发明所使用的石墨粉原料；

图2为实施例1中制备的高质量石墨烯的透射电子显微照片（tem）；

图3为实施例2中制备的高质量石墨烯的拉曼图谱；

图4为对比例1中制备的石墨烯的扫描电子显微照片（sem）。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的内容。应当说明的是，具体实施实例并不用于限制本发明的范围，在无实质技术内容贡献的条件下，本领域技术人员的常规变换亦视为本发明的可实施范围，均在本发明要求的保护范围内。

实施例1

（1）称取10g鳞片石墨，先将鳞片石墨粉放在120℃高温烘箱中进行处理1小时，取出后自然降至室温，再向该石墨粉中加入80g氯磺酸，后不断搅拌上述混合物质，并且同时辅以超声波促进插层剥离，超声0.5小时后，停止超声和搅拌，分离出氯磺酸处理后的石墨粉，其中超声频率为90khz，搅拌频率为150rpm；

（2）再向前述氯磺酸处理后的石墨粉末中添加2.5g的氯化钠，混合均匀；

（3）最后将前述混合物质放入振动球磨机中进行最后的完全剥离，即可得到高质量的石墨烯，其中，振动球磨机的激振频率为3000次/min，激振强度为9.08，球磨时间为1小时。

实施例2

（1）称取50g鳞片石墨，先将鳞片石墨粉放在150℃高温烘箱中进行处理1小时，取出后自然降至室温，再向该石墨粉中加入250g氯磺酸，后不断搅拌上述混合物质，并且同时辅以超声波促进插层剥离，超声1小时后，停止超声和搅拌，分离出氯磺酸处理后的石墨粉，其中超声频率为90khz，搅拌频率为150rpm；

（2）再向前述氯磺酸处理后的石墨粉末中添加10g的氯化钠，混合均匀；

（3）最后将前述混合物质放入振动球磨机中进行最后的完全剥离，即可得到高质量的石墨烯，其中，振动球磨机的激振频率为5000次/min，激振强度为9.08，球磨时间为1小时。

实施例2

（1）称取50g人造石墨，先将鳞片石墨粉放在150℃高温烘箱中进行处理1小时，取出后自然降至室温，再向该石墨粉中加入250g氯磺酸，后不断搅拌上述混合物质，并且同时辅以超声波促进插层剥离，超声1小时后，停止超声和搅拌，分离出氯磺酸处理后的石墨粉，其中超声频率为90khz，搅拌频率为150rpm；

（2）再向前述氯磺酸处理后的石墨粉末中添加10g的碳酸钠，混合均匀；

（3）最后将前述混合物质放入振动球磨机中进行最后的完全剥离，即可得到高质量的石墨烯，其中，振动球磨机的激振频率为5000次/min，激振强度为9.08，球磨时间为1小时。

实施例3

（1）称取2000g人造石墨，先将鳞片石墨粉放在150℃高温烘箱中进行处理1小时，取出后自然降至室温，再向该石墨粉中加入4000g氯磺酸，后不断搅拌上述混合物质，并且同时辅以超声波促进插层剥离，超声1小时后，停止超声和搅拌，分离出氯磺酸处理后的石墨粉，其中超声频率为100khz，搅拌频率为250rpm；

（2）再向前述氯磺酸处理后的石墨粉末中添加400g的氯化钠，混合均匀；

（3）最后将前述混合物质放入振动球磨机中进行最后的完全剥离，即可得到高质量的石墨烯，其中，振动球磨机的激振频率为5000次/min，激振强度为12，球磨时间为1小时。

对比例1

实验过程同实施例1，只是在该过程中搅拌的同时没有辅以超声，其余不变。