一种石墨烯纳米片的制备方法

本发明涉及石墨烯制备，尤其涉及一种石墨烯纳米片的制备方法。

背景技术：

1、石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，其具有许多独特、优异的物理化学性质，如无质量的狄拉克费米子，量子霍尔效应等，其中石墨烯具有的高比表面积，使得石墨烯具有丰富的吸附位点、良好的活性与基体材料进行有效传递应力和电子的界面力，可广泛应用于石墨烯基传感器元件、聚合物复合材料、催化和吸附领域。由于其优异的各项性能，石墨烯的市场需求也越来越大，这要求石墨烯材料的制备不断改善并能够实现绿色无污染的制备技术以获得大批量高质量的石墨烯，然而目前的制备技术还存在一些挑战。

2、目前石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、高温裂解法、机械剥离法等。石墨烯的几种主要制备方法中，氧化还原法具有高效、低成本的优势，可以大批量制备石墨烯的衍生物，但该方法制备过程中，使用大量的强氧化剂和还原剂造成环境污染，且对石墨烯的晶体结构造成破坏，形成缺陷，影响石墨烯的综合性能；化学气相沉积法（cvd）的主要优势是制备大面积的石墨烯，但其成本昂贵、工艺复杂、投资巨大，目前还不能实现规模化发展；高温裂解法是利用单晶衬底生长单晶石墨烯，目前主要以sic晶体为主，但受衬底材料的影响，难以获得高质量、大面积的石墨烯材料，且获得的石墨烯材料的表面性质受衬底材料影响较大，限制其应用领域；

3、机械剥离法是通过对石墨材料施加诸如剪切力、摩擦力、拉伸力等机械力将石墨烯纳米片从石墨材料中剥离出来，其工艺操作简单，对环境友好，成本低廉，被认为是可大规模制备高质量二维石墨烯纳米片的一种有效方法。然而目前仍然存在一些缺点，工业上利用传统机械剥离法得到的纳米片层数较多，制备得到的纳米片比表面积低，同时其少层纳米片的剥离效率也低。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于提供一种石墨烯纳米片的制备方法，以解决上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种石墨烯纳米片的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、插层：取鳞片石墨和铵盐，在球磨机中混合，再加入球磨珠，在球磨机中进行球磨，形成石墨插层化合物；

4、s2、剥离：将s1中得到的石墨插层化合物加入到溶剂中，进行超声，使得石墨鳞片层层分离，得到石墨烯纳米片的分散液；

5、s3、洗涤干燥：对s2中得到的纳米片分散液进行过滤，用乙醇进行洗涤至ph为中性，干燥，即得到石墨烯纳米片粉体材料。

6、本发明优选易分解的铵盐作为插层剂，通过高能球磨的方式，有效插入石墨层间，可大幅提高剥离效率，再通过超声直接得到石墨烯纳米片。其中，步骤s2的剥离，优选先采用较低的超声功率，低温下即可实现铵盐快速分解产气，石墨膨胀，纳米片分离，随后再加大功率进行二次剥离，实现纳米片良好分散的效果。

7、本发明通过调控铵盐与石墨的比例以及球磨时间等参数可以实现对石墨烯纳米片的结构，层数及其表面性能的调控，制备获得具有高比表面积的少层石墨烯纳米片。

8、作为优选的技术方案，步骤s1中，所述鳞片石墨的片径规格大小为80-8000目。

9、作为优选的技术方案，步骤s1中，所述铵盐选自碳酸氢铵（nh4hco3），磷酸氢铵(nh4)2hpo4或磷酸二氢铵（nh4h2po4）中的至少一种。这些铵盐是易分解的铵盐。

10、作为优选的技术方案，步骤s1中，所述球磨转速为200～1000rpm，球料比在30:1-5:1之间，球磨时间为2-20h。

11、作为优选的技术方案，步骤s1中，环境温度范围在20～60℃之间。

12、作为优选的技术方案，步骤s2中，所述溶剂选自水、乙醇水溶液中的一种，进一步优选乙醇水溶液中乙醇的体积浓度为10～30%。

13、作为优选的技术方案，步骤s2中，所述超声功率为150～1200w，超声温度控制范围在40～60℃之间；超声时间为0.5h～4h。

14、作为优选的技术方案，步骤s3中，所述洗涤方式为离心、真空抽滤和透析中的至少一种。

15、作为优选的技术方案，步骤s3中，所述干燥方式选自真空干燥、闪蒸和冷冻干燥中的一种。

16、与现有技术相比，本发明的优点在于：

17、本发明中铵盐在机械球磨过程中不仅可以通过产气打开石墨边缘，还可以与纳米片形成广泛的氢键网络，进入到石墨层间，扩大石墨层间距的同时，改变层间作用力，形成的石墨插层化合物在后续的超声过程中，通过铵盐的快速分解产气即可大批量制备得到石墨烯纳米片；

18、本发明工艺简单高效，操作过程绿色友好，避免了使用硫酸，氧化剂等常规传统插层剂对石墨处理，同时避免了常规的高温膨胀过程，利用先插层再剥离的策略更是有效提升了石墨的剥离效率以及石墨烯纳米片的产率；

19、本发明采用的“插层-剥离”制备石墨烯纳米片的方法，制得的纳米片产品质量高，具有优异的表面性能，可广泛的应用于储能，催化剂及高分子复合领域。

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所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述鳞片石墨的片径规格大小为80-8000目。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述铵盐选自碳酸氢铵，磷酸氢铵或磷酸二氢铵中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述球磨转速为200～1000rpm，球料比在30:1-5:1之间，球磨时间为2-20h。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，环境温度范围在20～60℃之间。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述溶剂选自水、乙醇水溶液中的一种。

7.根据权利要求6所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，所述溶剂为乙醇水溶液，所述乙醇水溶液中乙醇的体积浓度为10～30%。

8.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述超声功率为150～1200w，超声温度控制范围在40～60℃之间；超声时间为0.5h～4h。

9.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述洗涤方式为离心、真空抽滤和透析中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述干燥方式选自真空干燥、闪蒸和冷冻干燥中的一种。

技术总结
本发明公开了一种石墨烯纳米片的制备方法，属于石墨烯制备领域，本发明的方法是以鳞片石墨为原料，易分解的铵盐作为插层剂，经过机械球磨，超声膨胀，洗涤干燥等简便的工序便可获得少层的石墨烯纳米片；本发明通过调控铵盐与石墨的比例以及球磨时间等参数可以实现对石墨烯纳米片的结构，层数及其表面性能的调控，制备获得具有高比表面的少层石墨烯纳米片，可广泛的应用于储能，催化剂，吸附及聚合物复合领域；本发明的制备方法具有低耗、低成本、高产率且易于扩大化生产及绿色环保等优点。

技术研发人员：彭工厂,王姚,刘文静,瞿美臻
受保护的技术使用者：中国科学院成都有机化学有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10