本发明属于石墨烯材料
技术领域：
，具体涉及一种高质量石墨烯材料的制备方法。
背景技术：
：石墨烯是一种完全由sp2杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，几乎完全透明，导热系数高，常温下其电子迁移率高，为世上电阻率最小的材料，同时也是世上最薄却也最坚硬的纳米材料。石墨烯可用来发展更薄且导电速度更快的新一代电子元件、透明触控屏幕、高性能纳电子器件、光电器件，同时也可应用在气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域。到目前为止，关于石墨烯的制备已经发展出了很多方法：微机械分离法，氧化石墨还原法，化学气相沉积法，溶剂剥离法等。最开始采用的方法便是微机械分离法，这种方法获得的单层石墨片比较完整，却无法控制单层石墨的尺寸大小，这种方法由人工操作，且厚薄不均一。氧化石墨还原法氧化过程通常会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在较大的差距。此外，石墨的氧化过程通常需要大量强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、重铬酸以及高锰酸钾、硝酸钠等；而目还原过程中又需要高温处理或使用肼、二甲基肼等有毒性化学物质，不仅能耗大、效率低、成本高而且污染环境。化学气相沉积法制备的石墨烯没有表现出量子霍尔效应，如何选取合适的衬底也是一个难题，同时存在成本较高，工艺复杂的缺点。溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，但液相超声剥离往往需要长时间超声，有的甚至到达数百小时，不可避免的破坏了石墨烯的完整性，从而影响其性能。技术实现要素：针对现有技术中的问题，本发明提供一种高质量石墨烯材料的制备方法，解决了现有技术中N-甲基吡咯烷酮制备单层石墨烯效果不佳的问题，同时也解决了N-甲基吡咯烷酮的回收利用和去除的问题。为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种高质量石墨烯材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤1，将石墨烯放入无水乙醇中，搅拌均匀后球磨反应1-2h，得到石墨烯醇液；步骤2，将石墨烯醇液放入反应釜中，去除无水乙醇，得到石墨烯细粉；步骤3，将石墨烯细粉加入至N-甲基吡咯烷酮中，超声反应2-5h，微波反应2-4h，二次超声反应1-4h，得到石墨烯分散液；步骤4，将石墨烯分散液加入至离心机中快速离心得到石墨烯沉淀；步骤5，将石墨烯沉淀放入甲醇中超声分散2-4h，电解反应3-6h，离心过滤烘干后得到高质量石墨烯材料。所述步骤1中的石墨烯在无水乙醇中的浓度为20-50g/L。所述步骤1中的搅拌速度为2000-5000r/min，球磨反应的压力为10-15MPa，温度为50-70℃。所述步骤2中的去除无水乙醇采用减压蒸馏法，压力为大气压的30-50％，温度为100-120℃。所述步骤3中的石墨烯细粉在N-甲基吡咯烷酮中的浓度为2-5g/L，所述超声反应的超声频率为10-20kHz，温度为80-100℃。所述步骤3中的微波反应的微波功率为500-1000W，温度为100-130℃，所述二次超声反应的超声频率为60-70kHz，温度为130-150℃。所述步骤4中的离心速度为4000-7000r/min。所述步骤5中的甲醇的加入量与N-甲基吡咯烷酮的体积比例为1-1.4。所述步骤5中的超声分散的超声频率为20-50kHz，温度为40-50℃。所述步骤5中的电解反应的电压为5-12V，电流密度为10-300mA/cm2，所述烘干温度为50-80℃。步骤1将石墨烯放入无水乙醇中能够形成分散体系，同时起到辅助溶剂的作用，增加球磨过程中的温度传导效果，以及温度均匀性，保证球磨的均匀性，得到粒径较为稳定，且颗粒较细的石墨烯细粉。步骤2采用减压蒸馏的方式将石墨烯内的无水去除，形成粒径较为均匀的石墨烯细粉，且防止石墨烯颗粒的聚集。步骤3将石墨烯细粉放入N-甲基吡咯烷酮中，通过超声的方式将石墨烯分散，形成良好的分散体系，然后通过微波反应将整体加热，石墨烯颗粒内的缝隙不断扩大，形成良好的缝隙结构；二次超声反应能够将带有缝隙的石墨烯进行二次剥离，将石墨烯细粉进一步破碎分散，得到石墨烯的分散体系。步骤4将石墨烯分散液进行离心分散，通过离心机的高速旋转将石墨烯与N-甲基吡咯烷酮分离，形成液态和固态，得到带有N-甲基吡咯烷酮的石墨烯沉淀。步骤5将带有N-甲基吡咯烷酮的石墨烯沉淀放入甲醇中，并且在超声分散条件下将N-甲基吡咯烷酮分散在甲醇中，且石墨烯沉淀分散至甲醇中，形成良好的分散体系；甲醇具有良好的导电效果，能够形成良好的电解质体系，在电解反应中N-甲基吡咯烷酮因均匀分散和多面积裸露，形成快速降解效果，同时石墨烯表面的N-甲基吡咯烷酮也因此得到快速降解；由于石墨烯与N-甲基吡咯烷酮在甲醇中具有良好的不溶性，在超声分散条件下能够将甲醇充满缝隙，起到良好的均匀分散效果，同时在电解条件下形成最全面的降解，得到分散良好的石墨烯材料。从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：1.本发明解决了现有技术中N-甲基吡咯烷酮制备单层石墨烯效果不佳的问题，同时也解决了N-甲基吡咯烷酮的回收利用和去除的问题。2.本发明采用超声-微波-二次超声的方式能够解决了液相超声剥离需要长时间超声的问题，同时也能够最大力度保护石墨烯完整性，保证石墨烯的性能稳定。3.本发明采用超声和微波的交替反应能够大大降低反应时间，提升反应速率，同时连续式反应能够大大提升产率，便于工业化连续生产。4.本发明将石墨烯沉淀放入甲醇中超声分散，得到良好的分散体系，达到甲醇的完全渗透，同时采用电解方式将N-甲基吡咯烷酮转化为二氧化碳与水，得到分散良好的石墨烯材料。具体实施方式结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。实施例1一种高质量石墨烯材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤1，将石墨烯放入无水乙醇中，搅拌均匀后球磨反应1h，得到石墨烯醇液；步骤2，将石墨烯醇液放入反应釜中，去除无水乙醇，得到石墨烯细粉；步骤3，将石墨烯细粉加入至N-甲基吡咯烷酮中，超声反应2h，微波反应2h，二次超声反应1h，得到石墨烯分散液；步骤4，将石墨烯分散液加入至离心机中快速离心得到石墨烯沉淀；步骤5，将石墨烯沉淀放入甲醇中超声分散2h，电解反应3h，离心过滤烘干后得到高质量石墨烯材料。所述步骤1中的石墨烯在无水乙醇中的浓度为20g/L。所述步骤1中的搅拌速度为2000r/min，球磨反应的压力为10MPa，温度为50℃。所述步骤2中的去除无水乙醇采用减压蒸馏法，压力为大气压的30％，温度为100℃。所述步骤3中的石墨烯细粉在N-甲基吡咯烷酮中的浓度为2g/L，所述超声反应的超声频率为10kHz，温度为80℃。所述步骤3中的微波反应的微波功率为500W，温度为100℃，所述二次超声反应的超声频率为60kHz，温度为130℃。所述步骤4中的离心速度为4000r/min。所述步骤5中的甲醇的加入量与N-甲基吡咯烷酮的体积比例为1。所述步骤5中的超声分散的超声频率为20kHz，温度为40℃。所述步骤5中的电解反应的电压为5V，电流密度为10mA/cm2，所述烘干温度为50℃。实施例2一种高质量石墨烯材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤1，将石墨烯放入无水乙醇中，搅拌均匀后球磨反应2h，得到石墨烯醇液；步骤2，将石墨烯醇液放入反应釜中，去除无水乙醇，得到石墨烯细粉；步骤3，将石墨烯细粉加入至N-甲基吡咯烷酮中，超声反应5h，微波反应4h，二次超声反应4h，得到石墨烯分散液；步骤4，将石墨烯分散液加入至离心机中快速离心得到石墨烯沉淀；步骤5，将石墨烯沉淀放入甲醇中超声分散4h，电解反应6h，离心过滤烘干后得到高质量石墨烯材料。所述步骤1中的石墨烯在无水乙醇中的浓度为50g/L。所述步骤1中的搅拌速度为5000r/min，球磨反应的压力为15MPa，温度为70℃。所述步骤2中的去除无水乙醇采用减压蒸馏法，压力为大气压的30-50％，温度为120℃。所述步骤3中的石墨烯细粉在N-甲基吡咯烷酮中的浓度为5g/L，所述超声反应的超声频率为20kHz，温度为100℃。所述步骤3中的微波反应的微波功率为1000W，温度为130℃，所述二次超声反应的超声频率为70kHz，温度为150℃。所述步骤4中的离心速度为7000r/min。所述步骤5中的甲醇的加入量与N-甲基吡咯烷酮的体积比例为1.4。所述步骤5中的超声分散的超声频率为50kHz，温度为50℃。所述步骤5中的电解反应的电压为12V，电流密度为300mA/cm2，所述烘干温度为80℃。实施例3一种高质量石墨烯材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤1，将石墨烯放入无水乙醇中，搅拌均匀后球磨反应2h，得到石墨烯醇液；步骤2，将石墨烯醇液放入反应釜中，去除无水乙醇，得到石墨烯细粉；步骤3，将石墨烯细粉加入至N-甲基吡咯烷酮中，超声反应3h，微波反应4h，二次超声反应2h，得到石墨烯分散液；步骤4，将石墨烯分散液加入至离心机中快速离心得到石墨烯沉淀；步骤5，将石墨烯沉淀放入甲醇中超声分散3h，电解反应4h，离心过滤烘干后得到高质量石墨烯材料。所述步骤1中的石墨烯在无水乙醇中的浓度为30g/L。所述步骤1中的搅拌速度为3000r/min，球磨反应的压力为12MPa，温度为60℃。所述步骤2中的去除无水乙醇采用减压蒸馏法，压力为大气压的40％，温度为110℃。所述步骤3中的石墨烯细粉在N-甲基吡咯烷酮中的浓度为3g/L，所述超声反应的超声频率为15kHz，温度为90℃。所述步骤3中的微波反应的微波功率为700W，温度为110℃，所述二次超声反应的超声频率为65kHz，温度为140℃。所述步骤4中的离心速度为5000r/min。所述步骤5中的甲醇的加入量与N-甲基吡咯烷酮的体积比例为1.2。所述步骤5中的超声分散的超声频率为30kHz，温度为45℃。所述步骤5中的电解反应的电压为8V，电流密度为100mA/cm2，所述烘干温度为60℃。实施例4一种高质量石墨烯材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤1，将石墨烯放入无水乙醇中，搅拌均匀后球磨反应2h，得到石墨烯醇液；步骤2，将石墨烯醇液放入反应釜中，去除无水乙醇，得到石墨烯细粉；步骤3，将石墨烯细粉加入至N-甲基吡咯烷酮中，超声反应4h，微波反应3h，二次超声反应3h，得到石墨烯分散液；步骤4，将石墨烯分散液加入至离心机中快速离心得到石墨烯沉淀；步骤5，将石墨烯沉淀放入甲醇中超声分散3h，电解反应5h，离心过滤烘干后得到高质量石墨烯材料。所述步骤1中的石墨烯在无水乙醇中的浓度为40g/L。所述步骤1中的搅拌速度为4000r/min，球磨反应的压力为13MPa，温度为65℃。所述步骤2中的去除无水乙醇采用减压蒸馏法，压力为大气压的45％，温度为115℃。所述步骤3中的石墨烯细粉在N-甲基吡咯烷酮中的浓度为4g/L，所述超声反应的超声频率为18kHz，温度为95℃。所述步骤3中的微波反应的微波功率为800W，温度为120℃，所述二次超声反应的超声频率为65kHz，温度为145℃。所述步骤4中的离心速度为6000r/min。所述步骤5中的甲醇的加入量与N-甲基吡咯烷酮的体积比例为1.3。所述步骤5中的超声分散的超声频率为40kHz，温度为45℃。所述步骤5中的电解反应的电压为10V，电流密度为200mA/cm2，所述烘干温度为70℃。性能检测实施例1实施例2实施例3实施例4石墨烯层数3543石墨烯片径2.3μm2.5μm1.4μm1.7μm电导率4200S/m4300S/m4900S/m5000S/m综上所述，本发明具有以下优点：1.本发明解决了现有技术中N-甲基吡咯烷酮制备单层石墨烯效果不佳的问题，同时也解决了N-甲基吡咯烷酮的回收利用和去除的问题。2.本发明采用超声-微波-二次超声的方式能够解决了液相超声剥离需要长时间超声的问题，同时也能够最大力度保护石墨烯完整性，保证石墨烯的性能稳定。3.本发明采用超声和微波的交替反应能够大大降低反应时间，提升反应速率，同时连续式反应能够大大提升产率，便于工业化连续生产。4.本发明将石墨烯沉淀放入甲醇中超声分散，得到良好的分散体系，达到甲醇的完全渗透，同时采用电解方式将N-甲基吡咯烷酮转化为二氧化碳与水，得到分散良好的石墨烯材料。可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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