一种高质量石墨烯材料的简易生产方法

文档序号:9658886阅读:525来源:国知局
一种高质量石墨烯材料的简易生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石墨烯技术领域,具体涉及一种高质量石墨烯材料的简易生产方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由碳原子按照六边形排布并相互连接而成的特殊二维材料,因其具有高导电性、高机械强度、超大比表面积等特点可以被用来制备高速处理器、高灵敏度传感器、触摸显示屏、超级电池及高效太阳能电池等多种新型器件,在电子、航天军工、新能源等各种领域具有重要应用价值。
[0003]要实现石墨烯的大规模工业化生产和实际应用,石墨烯的生产制备方法需至少满足三个重要因素:高质量、大批量、低成本,尽管目前国内外有许多关于石墨烯制备方法的报道,但从高质量、低成本量产等实际需求来看,大多数已报道的石墨烯制备方法都具有各种各样的缺陷。比如,气相沉积法可以满足规模化生产高质量石墨烯的要求,但同时具有成本很高、工艺复杂的缺陷;微机械剥离法通过直接从原料剥离来获得单层或多层石墨烯,该方法虽然操作相对简单,制得的石墨烯质量相对较高,但具有耗时、产率低下、产品尺寸不易控制等缺点,不适于大规模量产;氧化法是目前最常用的制备石墨烯的方法,通过使用无机强质子酸(如浓硫酸、发烟硝酸等)和强氧化剂(如高锰酸钾等)预处理原始石墨,增大了石墨层间距,并进一步超声处理得到石墨烯的水或者有机溶剂溶液;该方法相对容易量产,工艺相对简单,但所获得的石墨烯的物理性能却由于强氧化剂等物质的作用受到较大破坏,各种性能大幅降低;近年来,人们进一步提出氧化还原法采用强还原剂,如肼类还原剂来还原处理氧化石墨烯,使制得的石墨烯产品性能有较大改善,但这类方法中使用的强还原剂等物质却存在腐蚀性强、毒性大、环境成本高等缺点和问题;Coleman等人ij.Am.Chem.Soc.2009, 131, 3611 - 3620)通过在十二烷基苯磺酸钠和水的溶液中超声处理石墨的方法制得了性能较好的石墨烯,但所获得石墨烯分散液浓度却很低(0.002?0.05g/L),不利于大规模量产;此外,其他还有许多新的石墨烯制备方法,但通常都会涉及如制备工艺复杂、成本高、环境危害大等等一系列问题,能同时满足高质量、大批量、低成本三个重要因素的石墨烯制备方法很少。
[0004]因而,为了进一步满足石墨烯产业化应用的实际需求,寻求一种工艺简单、生产成本低,并同时不会造成较高环境成本和大幅度降低石墨烯综合物理性能的简易量产方法具有重要意义。

【发明内容】

[0005]针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于设计提供一种高质量石墨烯材料的简易生产方法的技术方案。
[0006]所述的一种高质量石墨烯材料的简易生产方法,其特征在于包括以下工艺步骤:
1)将石墨、水和混合物质加入容器中进行剪切搅拌,实时测定该混合溶液的表面张力,并通过在该混合溶液中添加石墨、水和\或混合物,始终使混合溶液的表面张力维持在30?60mN/m范围内;
2)将步骤1)得到的石墨烯分散液去除溶剂后,即得到石墨烯产品。
[0007]所述的一种高质量石墨烯材料的简易生产方法,其特征在于所述的混合物质为聚乙二醇、聚乙烯醇、烷基苯磺酸盐、烷基苯磺酸盐衍生物、萘二磺酸盐、萘二磺酸盐衍生物、蒽醌二磺酸盐、蒽醌二磺酸盐衍生物、烷基二苯醚二磺酸盐、烷基二苯醚二磺酸盐衍生物、烷基萘磺酸盐、烷基萘磺酸盐衍生物、烷基二萘醚磺酸盐、烷基二萘醚磺酸盐衍生物、胭脂红、酸性红、诱惑红、喹啉黄中的一种或任意几种的混合物。
[0008]所述的一种高质量石墨烯材料的简易生产方法,其特征在于所述的石墨为天然石墨、尚定向热裂解石墨、膨胀石墨、微晶人造石墨中的一种或任意几种的混合物。
[0009]所述的一种高质量石墨烯材料的简易生产方法,其特征在于所述的除溶剂方法具体为离心、抽滤、加热烘干、冷冻干燥、喷雾干燥中的一种或多种。
[0010]所述的一种高质量石墨稀材料的简易生产方法,其特征在于原料中未剥离的剩余石墨,作为原料继续循环利用。
[0011]与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1)本发明首次提出在剪切搅拌方法中实时监测混合溶液的表面张力,从而相应调控各种原料的加入量,可大大提尚石墨稀制备效率,能非常有效地广生和稳定大量尚质量石墨烯的分散液,优选方案所得石墨烯平均层数可为5层以下。
[0012]2)由于采用本发明所述制备方法,各种原料的添加量并不受限于具体数值,使获得的石墨烯分散液浓度非常高,可达5g/L以上,优选方案浓度可达10g/L以上。该浓度系迄今文献报道中,采用相同混合物质来制备石墨烯所少见的高浓度。
[0013]3)本发明制备的石墨烯产品可具多孔结构且横向尺寸非常大,可达20 μm以上,优选方案可达60 μ m以上,迄今罕有文献报道。
[0014]4)本发明中不涉及使用强氧化剂、特殊的插层物质、强还原剂等成本较高或会对环境产生严重危害的化学原料,因而不会像传统氧化法一样严重破坏石墨烯结构性能,从而能使本方法生产的石墨烯保有较高的物理性能,优选方案所得石墨烯电导率数量级为104?10 5S/m。
[0015]5)本发明中涉及的大多数原料均为常见的化学原料,成本较低廉且环境危害性小,且本发明方法非常简易,无需采用复杂多步骤的工艺流程,非常适合大规模工业化生产。
[0016]6)本发明中的石墨烯的生产制备方法能同时满足大规模工业化生产和实际应用所需的三个重要因素:高质量、大批量、低成本,能具备同时表现出低成本、高浓度、低层数、高电导、大尺寸等如此优异综合特征的石墨烯制备方法迄今罕有报道。
[0017]7)相比传统超声制备方法,本发明中所采用的剪切搅拌制备方法具有根本性区别:各种原料的添加量并不受限于具体数值,而各原料的不断加入会使混合溶液粘度提高,这会直接导致超声效率的下降,而与此截然相反的是,溶液粘度的提高会直接提高剪切搅拌获得石墨烯的制备效率。
[0018]8)由于采用本发明的方法,制备后剩余的未剥离石墨原材料,无需经过复杂处理,可继续进行循环利用,得到石墨烯溶液,大大降低了生产成本提高生产效率。
【附图说明】
[0019]图1为本发明中所采用的连通装置系统举例示意图。
[0020]图2为本发明制得的石墨烯的拉曼光谱。
[0021]图3为本发明制得的石墨烯的原子力显微镜图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
[0023]实施例1:
将膨胀石墨、天然石墨、十六烷基二苯醚二磺酸钠、聚乙二醇、喹啉黄、十六烷基苯磺酸钠加入水中用高速剪切乳化机以3500rpm转速搅拌6小时得到石墨烯分散液,过程中根据实测得的表面张力来调节或随机添加各种原料,使得表面张力维持在35?43mN/m范围内,然后再以3000rpm转速离心处理30分钟后得到上层高质量石墨烯分散液,该石墨烯分散液浓度为6.2g/L,所得分散液经离心、抽滤、加热烘干、冷冻干燥或喷雾干燥后,得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为3层,如图2所示;经原子力显微镜观察得知石墨烯横向尺寸可达40 μπι以上,如图3所示;经测试可得石墨烯电导率数量级为105s/m。
[0024]该实施例1中可采用如图1所述的连通装置进行表面张力测定,该连通装置包括了管路连接的反应容器1和测量容器2,反应容器1中配合设置了剪切乳化机3,在测量容器2中进行溶液表面张力的测量。
[0025]
实施例2:
将高定向天然石墨、热裂解石墨、蒽醌二磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、胭脂红加入水中用高速剪切乳化机以4000rpm转速搅拌8小时得到石墨烯分散液,过程中根据实测得的表面张力来调节或随机添加各种原料,使得表面张力维持在45?49mN/m范围内,然后再以2000rpm转速离心处理40分钟后得
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