石墨烯纳米片及其制备方法和应用

本发明涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种石墨烯纳米片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、石墨烯是一种具有sp2杂化碳原子的六角形结构的刚性最强的材料。单层石墨烯具有许多优异的物理和化学性能，如，出色的载流子迁移率(200,000cm2 v-1s-1)，室温下优越的热导率(-5000w m-1k-1)以及高杨氏模量(-1100gpa)。这些优异的特性使得石墨烯在导热材料、抗静电材料、电磁屏蔽材料、水处理、电子器件、催化剂载体等领域具有非常广泛的应用。

2、有研究表明，石墨烯的杨氏模量和强度随着厚度的增加而急剧降低，这是因为层间强面内共价键和弱范德华导致的。由此可见，单层/少层石墨烯的制备是实现其高性能的基础，对扩展石墨烯的应用具有非常重要的意义。

3、目前，研究学者们通过多种方法获得了石墨烯纳米片，但均有一定的限制。如，气相沉积和外延生长的方法虽然可以制备具有少量缺陷的石墨烯纳米片，但是该方法价格昂贵、设备较小，仅适合在特定的基底上生长，并不能实现规模化生产。超声辅助的液相剥离的方法虽然具有操作简单，价格低廉的优点，但是超声处理诱导空化而引起局部高温、高压会破坏石墨烯的晶格结构，引入较多缺陷，破坏其本征性能，导致获得的石墨烯纳米片质量低；同时其产率较低，一般不高于20％。

4、机械球磨法被认为是制备石墨烯最有规模化潜力的方法之一，具有产率高、价格低廉的优点。但是，目前机械球磨法得到的石墨烯纳米片只能以较低浓度在溶剂中分散，并且需通过外加表面活性剂等分散剂或者长时间超声等处理方法，对石墨烯分散液的浓度改善也非常有限；同时，随着存储时间延长或浓度增加石墨烯分散液不稳定，导致石墨烯纳米片重新堆积；此外，由于研磨球-研磨球或研磨球-研磨罐之间的剧烈冲击力，导致剥离的石墨烯纳米片的片径尺寸较小，从而限制了其应用范围。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种石墨烯纳米片及其制备方法和应用。所述制备方法制备的石墨烯纳米片不仅质量高、片径尺寸较大，且在各种极性溶剂中具有良好的分散能力。

2、一种石墨烯纳米片的制备方法，包括以下步骤：

3、将石墨、多羟基化合物溶液混合后进行球磨处理，得到石墨烯分散液；

4、将所述石墨烯分散液进行干燥处理，得到石墨烯纳米片。

5、在其中一个实施例中，所述多羟基化合物溶液包括多羟基化合物和溶剂，所述多羟基化合物选自季戊四醇、2,2-二羟甲基丁醇、糠醇、甘油、木糖醇、山梨醇、单宁酸、植酸、蔗糖、果糖、纤维素、麦芽糖、聚合物多元醇中的至少一种；

6、及/或，所述多羟基化合物溶液的质量浓度为1mg/ml-3000mg/ml；

7、及/或，所述石墨烯分散液的质量百分浓度为0.5％-30％。

8、在其中一个实施例中，所述石墨和所述多羟基化合物的质量比为1:1-1:100。

9、在其中一个实施例中，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、二甲苯、乙酸乙酯、甲苯、二甲基甲酰胺、异丙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜、氯仿、n-甲基吡咯烷酮、六氟异丙醇中的至少一种；

10、及/或，所述聚合物多元醇的相对数均分子量为200g/mol-30000g/mol；

11、及/或，所述聚合物多元醇选自聚环氧丙烷多元醇，聚环氧乙烷多元醇，聚乙烯醇、聚乳酸多元醇、聚己内酯多元醇、聚苯酐多元醇、聚丁二酸多元醇中的至少一种。

12、在其中一个实施例中，在球磨处理过程中，还加入研磨球，所述石墨与所述研磨球的质量比为1:20-1:500；

13、及/或，所述石墨选自天然石墨、膨胀石墨中的至少一种；

14、及/或，所述石墨的粒径为1μm-200μm。

15、在其中一个实施例中，所述球磨处理的工艺参数包括:球磨速率为100rpm-800rpm，球磨时间为4h-48h；

16、及/或，在制备石墨烯分散液的过程中，球磨处理后，还包括超声处理和离心处理，其中，超声时间为0.5min-60min，超声功率为10w-1200w，离心速率为1000rpm-10000rpm，离心时间为2min-30min。

17、一种石墨烯纳米片，所述石墨烯纳米片通过上述所述的石墨烯纳米片的制备方法制备得到。

18、在其中一个实施例中，所述石墨烯纳米片的表面和/或边缘含有功能化基团，所述功能化基团包括羟基和/氨基。

19、在其中一个实施例中，所述石墨烯纳米片的片径为10μm-50μm；

20、及/或，所述石墨烯纳米片的厚度为1nm-10nm。

21、如上述所述的石墨烯纳米片在导热材料、抗静电材料、电磁屏蔽材料、反渗透膜、电子器件、催化剂载体、聚合物填充材料、金属防腐、储能和生物药物中的应用。

22、本发明所提供的石墨烯纳米片的制备方法中，通过加入多羟基化合物溶液，利用多羟基化合物自身羟基与石墨的相互作用，吸附于石墨表面，稳定球磨过程中的剪切力，保护石墨烯结构，同时减弱研磨球-研磨球或研磨球-研磨罐之间的冲击力，从而使得制备的石墨烯纳米片的片径尺寸较大，具有较小的晶格缺陷，进而提高了石墨烯纳米片的质量。

23、同时，多羟基化合物能够对石墨烯纳米片进行功能化，在石墨烯纳米片边缘接枝功能化基团，如，-nh2，-oh，使得石墨烯纳米片在各种极性溶剂中具有良好的分散能力；此外，多羟基化合物上的羟基等反应性官能团可以使石墨烯纳米片之间形成化学键，完善声子传输通道，提高材料的热扩散系数，提高石墨烯纳米片的导热性。

24、另外，本发明所提供的制备方法工艺简单安全、绿色环保、成本低、安全高效，具有良好的工业化生产基础和广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，所述多羟基化合物溶液包括多羟基化合物和溶剂，所述多羟基化合物选自季戊四醇、2,2-二羟甲基丁醇、糠醇、甘油、木糖醇、山梨醇、单宁酸、植酸、蔗糖、果糖、纤维素、麦芽糖、聚合物多元醇中的至少一种；

3.根据权利要求2所述的石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，所述石墨和所述多羟基化合物的质量比为1:1-1:100。

4.根据权利要求2所述的石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、二甲苯、乙酸乙酯、甲苯、二甲基甲酰胺、异丙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜、氯仿、n-甲基吡咯烷酮、六氟异丙醇中的至少一种；

5.根据权利要求1所述的石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，在球磨处理过程中，还加入研磨球，所述石墨与所述研磨球的质量比为1:20-1:500；

6.根据权利要求1-5任一项所述的石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，所述球磨处理的工艺参数包括：球磨速率为100rpm-800rpm，球磨时间为4h-48h；

7.一种石墨烯纳米片，其特征在于，所述石墨烯纳米片通过权利要求1-6任一项所述的石墨烯纳米片的制备方法制备得到。

8.根据权利要求7所述的石墨烯纳米片，其特征在于，所述石墨烯纳米片的表面和/或边缘含有功能化基团，所述功能化基团包括羟基和/氨基。

9.根据权利要求7或8所述的石墨烯纳米片，其特征在于，所述石墨烯纳米片的片径为10μm-50μm；

10.如权利要求7-9任一项所述的石墨烯纳米片在导热材料、抗静电材料、电磁屏蔽材料、反渗透膜、电子器件、催化剂载体、聚合物填充材料、金属防腐、储能和生物药物中的应用。

技术总结
本发明涉及一种石墨烯纳米片及其制备方法和应用。一种石墨烯纳米片的制备方法，包括以下步骤：将石墨、多羟基化合物溶液混合后进行球磨处理，得到石墨烯分散液；将所述石墨烯分散液进行干燥处理，得到石墨烯纳米片。所述制备方法制备的石墨烯纳米片不仅质量高、片径尺寸较大，且在各种极性溶剂中具有良好的分散能力。

技术研发人员：丁纪恒,赵红冉,王静刚,朱锦
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16