一种单层或少层的石墨烯的制备方法与流程

本发明涉及一种单层或少层石墨烯的制备方法，更具体地说，涉及一种利用糖醇类化合物作为剥离剂，采用剪切、均质、超声、研磨中的一种或几种机械方式在层状石墨的悬浮液中对层状石墨进行机械剥离。

背景技术：

石墨烯是一种碳原子紧密堆积成单原子二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，由于其超薄、二维(2d)的性质及其前所未有的性能，石墨烯已成为研究最热的纳米材料。其超高的比表面积(单层石墨烯比表面积理论计算为2620m²/g)、优异的电子迁移率(200000cm²/(v·s))高的热导率(导热系数高达5300w/m·k)、超强的力学性能和良好的生物相容性，可以用于纳米复合材料、催化剂载体、纳米电子器件、超导材料、储能器件、显微滤网、传感器和生物医疗等领域。

自英国曼彻斯特大学andregeim与konstantinnovoselov在2004年使用scotch胶带成功剥离石墨获得单层石墨烯以来，发展了很多种制备石墨烯的方法。化学气相沉积(cvd)和外延生长制备石墨烯，碳原子容易在金属缺陷位置，而且表面技术不能很好地扩展宏观量石墨烯的应用。大量的石墨烯可以通过大块石墨的物理和化学剥落，氧化还原氧可以实现批量生产石墨烯，但是由于生产过程产生大量的废水，较低的生态环保性，而且氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；采用层状石墨，在某些稳定溶剂或表面活性剂水溶液超声制备无缺陷纳米片，由于超声波作为能源的使用而受到限制；采用溶剂进行机械剥离制备石墨烯，溶剂难以完全除去，使得制得的石墨烯的应用受到限制，电化学剥离石墨烯，同样存在氧化缺陷及环境污染，剥离效率低的问题。

因此，迫切需要具有一种石墨烯生产方法，既能够环境友好，又能消除或减少不必要的化学物质进入排放系统或残留在石墨烯中、生产石墨烯缺陷少、生产成本低，效益高、同时能够批量化生产。

国内外很多专家团队在绿色剥离石墨烯做了很多的探索和尝试，采用天然材料，或者来自天然材料的衍生物作为剥离载体制备绿色生态，生物相容性好的石墨烯。

瓦兹克斯教授的团队设计了一种新的绿色方法来制造石墨烯纳米材料，这也可以使石墨烯在生物领域中的应用研究变得更容易。该方法使用球磨法剥离石墨，加入葡萄糖作为助剂，此外，通过在球磨处理中添加少量的水，最终制备出了石墨烯-葡萄糖共晶体。这项工作的创新之处在于，他们使用的是葡萄糖作为助剂，而不是nmp和dmf等这些有毒的溶剂化合物，已被证明对人类健康有毒害等副作用(vivianajehovágonzález，etal.sweetgraphene:exfoliationofgraphiteandpreparationofglucose-graphenecocrystalsthroughmechanochemicaltreatments.greenchem.，2018，20，3581)；

拜永孝教授研究组巧妙地采用天然糖类，借助自动机械撕揭鳞片石墨的方法制备非氧化态的石墨烯。由于制备工艺采用绿色剥离的方法，与生物相容性好，毒性低，并尝试与高分子材料进行复合，构筑可用作医用的手术缝合线，新型石墨烯复合纤维表现出更加优异的力学性能，同时具备良好的抗菌性。在生物医疗行业表现出巨大的应用潜力(yongxiaobai，etal.robustandantibacterialpolymer/mechanicallyexfoliatedgraphenenanocompositefibersforbiomedicalapplications.acsappl.mater.interfaces2018，10，3002–3010)。

中国专利[陈庆等,一种密炼机剥离制备石墨烯前驱体的方法及石墨烯前驱体:cn105948028a.2016-09–21]公开了一种利用糖类物质为粘接剥离载体，通过密炼机的剪切和拉伸粘性糖类物质，使石墨在糖类物质的粘接作用下，间接被粘性的糖类物质拉伸、剪切剥离得到石墨烯前驱体，提供剪切方式温和，有效克服了现有技术中机械剥离过程中机械的巨大剪切力直接作用于石墨烯进而破坏石墨烯的层状结构的技术缺陷，同时避免了现有技术中化学反应对石墨烯结构的破坏，实现了获得的产品质量较高，对环境造成污染少等技术效果。虽然该方法采用环境相容性更好的糖类物质作为石墨烯剥离剂取得了较好的成绩，但是在进行生产石墨烯，使用的是融化状态的糖，粘度比较高，机械剥离是在高粘度条件下进行的，生产效率较低，尤其是在后处理过程中需要大量的水进行稀释才能提纯分离，同时剥离剂的回收再利用需要额外的设备和能耗，熔融剥离剂还需要大量的热量，导致其工业化批量生产还是比较麻烦。因此需要更加便捷的生产方式，本发明涉及一种绿色剥离制备单层或少层石墨烯的方法，能够提高在保持绿色剥离的方式下，更加高效便捷的进行批量化生产石墨烯。

技术实现要素：

针对目前的石墨烯剥离制备方案中存在的剥离效率低、后处理效率低下、生态环保性不足等缺陷，本发明提出了一种单层或少层的石墨烯的制备方法，该方法利用糖醇类化合物作为剥离剂，采用均质、超声、高压溢流撞击、研磨中的一种或几种机械除理方式在层状石墨的悬浮液中对层状石墨进行机械剥离。

本发明的一种单层或少层的石墨烯的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将层状石墨加入到糖醇类化合物的水溶液中进行分散形成层状石墨的悬浮液；

(2)采用均质处理、超声处理、高压溢流撞击、研磨处理中的一种或几种机械方式处理石墨的悬浮液以机械剥离层状石墨烯；

(3)将剥离后的石墨烯悬浮液离心或者过滤、清洗、喷雾干燥或冷冻干燥获得单层或少层石墨烯。

在本发明的一个具体实施方式中，该层状石墨选自天然鳞片石墨、合成石墨、可膨胀石墨、膨胀石墨、插层石墨、石墨纳米片、胶体石墨、高取向热裂解石墨粉体、用于制备石墨烯的前驱体中的一种或几种。

在本发明的一个更优选具体实施方式中，该层状石墨选自膨胀石墨。

在本发明的一个具体实施方式中，该糖醇类化合物选自麦芽糖醇、木糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、山梨糖醇、乳糖醇中的一种或多种。

在本发明的一个更优选具体实施方式中，该糖醇类化合物选自木糖醇。

在本发明的一个具体实施方式中，该层状石墨的悬浮液中还包括辅助分散剂。

在本发明的一个具体实施方式中，该辅助分散剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚(aeo)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(aes)、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐(aec)、α-烯基磺酸盐(aos)、烷基糖苷(apg)中的一种或几种。

在本发明的一个具体实施方式中，该层状石墨的悬浮液中糖醇类化合物、层状石墨和辅助分散剂的重量比为10～80：1～10：0.1～5。

在本发明的一个具体实施方式中，机械剥离层状石墨烯的温度为10-80℃，时间为1-24h。

在本发明的一个具体实施方式中，层状石墨的悬浮液的粘度为在25℃，500-2000mpa。

在本发明的一个具体实施方式中，该糖醇类化合物的水溶液的质量浓度为0.1–80％。

在本发明的一个具体实施方式中，层状石墨加入到糖醇类化合物的水溶液后通过剪切处理进行分散。

在本发明的一个具体实施方式中，机械剥离层状石墨烯具体方式为将层状石墨悬浮液先进行均质处理，然后用砂磨机进行研磨。在本发明的另一个具体实施方式中，机械剥离层状石墨烯具体方式为将层状石墨悬浮液先进行超声处理，然后用球磨机进行研磨。在本发明的另一个具体实施方式中，机械剥离层状石墨烯具体方式为将层状石墨悬浮液先用球磨机进行研磨，然后用砂磨机进行研磨。

本发明的方法制备的单层或少层的石墨烯的层数为1-10层，例如1层、2层、3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层或10层，并且氧化程度低。本发明的方法制备的单层或少层的石墨烯可应用于材料增强、导电、导热、防腐、抗静电、远红外、生物医疗等方面。

本发明的方法使用天然原料糖醇类化合物，或其衍生物作为剥离剂，采用超声、高压均质机、高压溢流撞击、球磨机、砂磨机等设备单独或其组合在层状石墨悬浮液中对层状石墨进行物理机械方式处理。在利用机械方式对层状石墨进行剥离的同时，同时依靠糖醇类化合物自身具有的粘黏特性进行协同拉伸撕裂剥离，达到剥离石墨形成单层或少层石墨烯。另外，本方法中用作层状石墨的分散介质的糖醇类化合物的溶液具有胶体性质，能使层状石墨在其中形成均匀分散。本发明的方法可采用天然原料水性体系、具有生态环保、生产成本低，石墨烯易于分离提纯。本发明的方法能够批量化生产单层或少层的、具有较好水性润湿分散性、缺陷少的石墨烯，同时剥离载体原料可以进行回收直接再利用，减少废水排放。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的石墨烯的扫描电镜图。

图2是本发明实施例2制备的石墨烯的扫描电镜图。

图3是本发明实施例3制备的石墨烯的扫描电镜图。

图4是本发明实施例4制备的石墨烯的扫描电镜图。

图5是本发明实施例5制备的石墨烯的扫描电镜图。

图6是本发明实施例6制备的石墨烯的扫描电镜图。

图7是本发明实施例7制备的石墨烯的扫描电镜图。

具体实施方式

针对现有技术中单层或少层石墨烯制备方面存在的缺席，本发明人经过深入的研究，将天然原料或天然原料的衍生物糖醇类化合物作为剥离剂，采用均质、超声、研磨中的一种或几种机械方式在层状石墨的悬浮液中对层状石墨进行机械剥离。本发明的方法可用水做溶剂，这样所用剥离剂和溶剂都是环境有好的，基本上无环境污染，并且制备的石墨烯层数少，缺陷少，在此基础上完成了本发明。

本发明中，“多种”或“几种”指两种或两种以上。

本发明的层状石墨可选自天然鳞片石墨、合成石墨、可膨胀石墨、膨胀石墨、插层石墨、石墨纳米片、胶体石墨、高取向热裂解石墨粉体、用于制备石墨烯的前驱体中的一种或多种。

本发明中，“用于制备石墨烯的前驱体”是指采用高压均质机、球磨机、砂磨机、三辊研磨机、超声、电化学、化学方法、超临界、高压溢流喷射或其组合等制备的多层或少层石墨烯前驱体。例如，ferrari等在文献microfluidizationofgraphiteandformulationofgraphene-basedconductiveinks(acsnano,2017,11(3),2742–2755)中所述的采用微流化工艺超高剪切力将石墨剥离成石墨多层石墨烯。

本发明的一种单层或少层的石墨烯的制备方法采用天然糖醇类化合物或天然糖醇类化合物的衍生物作为剥离剂，而非合成表面活性剂剥离剂，同时使用糖醇类化合物的水溶液作为层状石墨的分散体系。其他溶剂，例如有机溶剂也可用作层状石墨的分散体系，但是从环境角度考虑，优选水溶剂。

现有的糖类物质的分子结构一般为：而本发明所使用的糖醇类化合物的分子结构为：在本发明的一个优选实施方案中，该糖醇类化合物是一种多元醇，含有两个以上的羟基。但是这种糖醇类化合物和石油化工合成的乙二醇、丙二醇、季戊四醇等多元醇不同，该糖醇类化合物可以由来源广泛的、相应的糖来制取，即将糖分子上的醛基或酮基还原成羟基，而成糖醇。例如葡萄糖还原生成的山梨醇，木糖还原生成的木糖醇，麦芽糖还原生成的麦芽糖醇，果糖还原生成的甘露醇等。一般糖醇在自然界的食物中有少量存在，并且能被人体吸收代谢。石油化工合成的多元醇用于有机合成，不能食用。而糖醇不仅能食用，也可以作有机合成制取醇酸树脂和表面活性剂的原料。因此采用糖醇作为水性剥离载体是具有生态环保，实际可行的。

本发明中的糖醇类化合物具有很强的粘性，溶于水后能形成胶体一样的溶液，具有乳化、分散、消泡等作用，使多层石墨在其中的分散更加均匀，同时使形成的石墨烯在此水性体系稳定性更好。在机械撞击悬浮液中的层状石墨时，糖醇类化合物其粘黏特性拉伸撕裂石墨层，与机械撞击产生协同作用，这样，石墨剥离效果更佳明显。另外，在本发明所用的悬浮液的粘度条件下，操作很容易，能够在砂磨机等更多设备上顺利运行，设备具有更多的可选择性，在后处理过程中，石墨烯更容易分离提纯。

在本发明的一个优选实施方案中，该糖醇类化合物为水溶性的，可选自麦芽糖醇、木糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、山梨糖醇、乳糖醇。

在本发明的一个优选实施方案中，用做层状石墨的分散载体的糖醇类化合物的水溶液的质量浓度优选为0.1–80％；优选10–60％，更优选20–50％，进一步优选30–40％。

在本发明的一个优选实施方案中，配置的多层石墨的悬浮液的粘度优选为在25℃应该小于5000mpa·s，更优选在25℃应该小于2000mpa·s；进一步优选在25℃为500mpa·s-1800mpa·s；更进一步优选在25℃为800mpa·s-1600mpa·s。

本发明的方法中，还可在多层石墨的悬浮液中添加辅助分散剂，优选地，该辅助分散剂是可生物降解的，可选自脂肪醇聚氧乙烯醚(aeo)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(aes)、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐(aec)、α-烯基磺酸盐(aos)烷基糖苷(apg)等，辅助分散剂能够辅助石墨烯在体系中稳定分散，体系能够更好的完成石墨烯剥离。

在本发明的一个具体实施方式中，辅助分散剂先制备成水溶液，然后将层状石墨分散到其中，最后再与糖醇水溶液混合，制备层状石墨的悬浮液。

本发明的方法中，为了保持体系的稳定性，层状石墨烯进行机械剥离的温度范围控制在10-80℃，优选在20–50℃；剥离时间为1-24h，优选2–10h。

本发明中，高压均质处理可通过高压均质机实现，研磨处理可通过球磨机、砂磨机和/或三辊研磨机实现，超声处理可通过超声仪实现。超临界处理可通过超临界设备实现，高压溢流撞击处理可通过高压溢流喷射设备实现。

在本发明的一个具体实施方案中，本发明的方法先将层状石墨分散于一定浓度的/糖醇溶液中，利用剪切设备进行剪切以使层状石墨分散更均匀。

本发明的方法具有以下有益效果：

1.本发明的方法采用糖醇类化合物水性低粘度体系作为剥离剂、运用机械物理法对多层石墨进行机械剥离，剥离效果好，后处理简单，易操作。该方法甚至可以直接采用鳞片石墨作为原料进行剥离。

2.本发明的方法利用可再生，环境友好的糖醇类化合物作为剥离剂，利用水作为多层石墨的载体，同时使用的少量辅助分散剂也是具有环保、可生物降解的，因此本发明的方法生态环保、生产成本低，能够批量化生产单层或少层的、具有较好的水润湿性、缺陷少的石墨烯。

2.作为多层石墨的载体的糖醇类化合物的水溶液可以进行回收直接再利用，减少废水排放。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解以下实例仅用于提供本发明的最佳实践模式作进一步的详细说明，不应该被解释为限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规操作方法和条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分数和份数按重量计算。下列实施例中进行扫描电镜分析所用的仪器是：厂家：tescanchina，型号：risemicroscope)

实施例1

(1)采用天然鳞片石墨粉体作为剥离原料，首先配置一定浓度的木糖醇水溶液，再将天然鳞片石墨粉体分散到木糖醇水溶液中，其中天然鳞片石墨粉、木糖醇、水的比值为3:30:67，粘度800mpa·s，将混合溶液进行分散剪切15分钟，得到天然鳞片石墨粉分散液，然后采用高压均质机进行均质处理2h，压力为150mpa，得到初步剥离的薄层石墨片，然后将其送入砂磨机继续剥离试验，时间为4h，转速为2000r/min，得到剥离完成的石墨烯分散液。将石墨烯分散剂进行压滤分离，离心液可以直接回收利用，将滤饼多次离心水洗，水洗产生的废水进行离心分离，将废水中的石墨回收，水可以作为下次水洗提纯的水，然后将石墨烯进行喷雾干燥，得平均5-10层的石墨烯粉体。对该石墨烯进行扫描电镜分析得到如图1所示的图像。

实施例2

配置一定浓度的烷基糖苷12(厂商：巴斯夫(中国)有限公司)水溶液，将天然鳞片分散到其中，然后将石墨分散液分散到配置好的木糖醇水溶液，再将天然鳞片石墨粉体分散到木糖醇水溶液中，其中天然鳞片石墨粉、木糖醇、烷基糖苷12、水的比值为3:0.3:30:66.7，860mpa·s将混合溶液进行分散剪切15分钟，得到天然鳞片石墨粉分散液，然后采用高压均质机进行均质处理2h，压力为150mpa，得到初步剥离的石墨片，然后将其送入砂磨机继续剥离试验，时间为4h，转速为2000r/min，得到剥离完成的石墨烯分散液。将石墨烯分散剂进行压滤分离，离心液可以直接回收利用，将滤饼多次离心水洗，水洗产生的废水进行离心分离，将废水中的石墨回收，水可以作为下次水洗提纯的水，然后将石墨烯进行喷雾干燥，得到平均5-10层的石墨烯。对该石墨烯进行扫描电镜分析得到如图2所示的图像。

实施例3

配置一定浓度的烷基糖苷12水溶液，将天然鳞片分散到其中，然后将石墨分散液分散到配置好的木糖醇水溶液，再将天然鳞片石墨粉体分散到木糖醇水溶液中，其中天然鳞片石墨粉、烷基糖苷12、木糖醇、水的比值为3:0.3:30:66.7，860mpa·s将混合溶液进行分散剪切15分钟，得到天然鳞片石墨粉分散液，然后采用超声进行超声处理，设置超声功率为20kw，超声处理小4时，得到初步剥离的石墨片分散液，然后将其送入球磨机继续剥离试验，时间为12h，转述为600r/min，得到剥离完成的石墨烯分散液。将石墨烯分散剂进行压滤分离，离心液可以直接回收利用，将滤饼多次离心水洗，水洗产生的废水进行离心分离，将废水中的石墨回收，水可以作为下次水洗提纯的水，然后将石墨烯进行喷雾干燥，得到得到平均5-10层的石墨烯。对该石墨烯进行扫描电镜分析得到如见图3所示的图像。

实施例4

将鳞片石墨更为为膨胀石墨，粘度1200mpa·s，其他工艺与实例1保持一致，得到平均1-5层的石墨烯。对该石墨烯进行扫描电镜分析得到如见图4所示的图像。

实施例5

将木糖醇更换为麦芽糖醇，粘度1600mpa·s，其他工艺与实例1保持一致，得到平均5-10层的石墨烯。对该石墨烯进行扫描电镜分析得到如见图5所示的图像见图5。

实施例6

将分散剂更换为山梨糖醇聚氧乙烯醚，粘度820mpa·s其他工艺与实例1保持一致，得到平均5-10层的石墨烯。对该石墨烯进行扫描电镜分析得到如见图6所示的图像。

实施例7

将鳞片石墨采用电化学设备进行初步的剥离提纯得到粉体。制备方法为：将鳞片石墨材料作为阳极的材料，草酸和双氧水的混合溶液作为电解液，进行电解反应实现对阳极的电化学剥，离心干燥得石墨烯前驱体。

将上述石墨烯前驱体采用分散剂eh-6(厂商：陶氏化学中国有限公司)分散到水溶液中，然后再将该混合物与山梨糖醇的水溶液混合形成石墨烯前驱体的悬浮液，其中石墨烯前驱体、山梨糖醇、烷基糖苷12、水的比值为5:0.5:45:49.5，粘度为810mpa·s。将该混合溶液进行分散剪切15分钟，得到石墨片混合分散液，然后采用球磨机初步研磨处理，研磨4h，转述为800r/min初步得到2um左右的石墨烯片分散液，然后将其送入砂磨机继续剥离试验，时间为2h，，得到剥离完成的纳米级石墨烯分散液。将石墨烯分散液进行离心分离，离心液可以直接回收利用，将滤饼多次离心水洗，水洗产生的废水进行离心分离，将废水中的石墨回收，水可以作为下次水洗提纯的水，然后将石墨烯进行喷雾干燥，得到平均1-5层的石墨烯。对该石墨烯进行扫描电镜分析得到如见图7所示的图像。

对上述实施例制备的石墨烯的参数进行了测定，具体见表1。

表1.

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外另理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作做种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。