一种简单的制备薄层石墨烯的热膨胀法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄层石墨烯简单的热膨胀制备工艺，特别是一种简单的制备薄层石墨烯的热膨胀法；属于无机新能源材料领域。
【背景技术】
[0002]石墨烯是由具有六边形结构的Sp2杂化碳原子构成的二维单层薄膜，在石墨烯片层中存在着两种键:σ。_。键和π键。σ。_。键存在于石墨烯的二维平面上，由于其键能最强，故使其具有良好的刚性结构。JT键则存在于石墨烯的二维平面外，是由垂直于平面的P电子轨道相互叠加形成的。这种离域大键的存在有利于其电子导电性且为石墨烯片层之间提供较弱的作用力。在化学角度上讲，结构决定性质，如此独特的结构就注定其有着独特的性质:一、极大的比表面积，高达263011^1;二、优异的力学性质，杨氏模量高达ITPa ;三、极高的热导率，5000W/m.K ;四、相当高的电子迀移率，在室温下高达250000cm2/V.s ;五、较好的化学稳定性以及特殊的光学性质。值得注意的是:在石墨烯粉体中，由于单层石墨烯的表面吉布斯能极大，极其容易发生片层间的相互团聚，使石墨烯层数是一个范围(一般为小于10层)，所以石墨烯以粉体形式存在时，又可称为薄层石墨烯。
[0003]自2004年对此材料的报道以后，石墨烯的研宄成为了科学各界研宄的热门课题一一化学家、物理学家、材料科学家等对此展开了广泛的研宄。由于石墨烯独特的结构，使其具备上述独特的性质，如超大的比表面积、良好的电子导电性以及优良的光学特性等。而如此优良的碳材料也注定能以各种形式，于提高锂离子电池、电化学电容器以及燃料电池等化学电源性能方面，将发挥着不可磨灭的作用。目前，石墨烯制备方法主要包括石墨的机械劈裂法、石墨插层法、氧化石墨的后处理法以及化学气相沉积法(CVD)等，为了使石墨烯材料得到更广泛的应用，规模化生产是必须考虑的问题，其中最适合于量产的为氧化石墨的后处理法，这其中氧化石墨的热处理法则被公认为是最有规模化生产潜质的。
[0004]其中氧化石墨的热处理法的基本过程为:以石墨为原料，利用Hummer法进行插层氧化得到氧化石墨；而后在一定条件下，对氧化石墨进行热处理，利用含氧官能团的分解反应将石墨片层剥离，最终得到石墨烯。但是氧化石墨的热处理法仍存在着一些问题，其中最突出的是氧化石墨的前序附加处理和膨胀条件苛刻，这严重制约了石墨烯的规模化生产。最具有代表性的工作包括:J Mater Sci 2014, 49,4989-4997 ；ACS Nano,2009,3, 3730-3736 ；J Mater Chem 2011,21,5392-5397 ；J Mater Chem2010, 20, 8467-8469 ；J Mater Chem C, 2013, I,50-53 ；US Pat.Pending,Ser.N0.2013/0197256A1(Aug.1, 2013) ；CN 101367516A。
[0005]其中一部分工艺在氧化石墨膨胀之前需要对氧化石墨进行附加处理，如:J MaterChem C，2013, I, 50-53所述工艺，在石墨稀的制备之前，需要利用盐酸对氧化石墨进行洗涤预处理，利用残留的氯化氢增加膨胀内压，从而实现氧化石墨的成功膨胀，这样以来使步骤较复杂，耗时、效率低且成本高，严重制约石墨烯量产J Mater Sci 2014，49，4989-4997的工艺为，在石墨烯的制备之前，需要对氧化石墨进行冷冻干燥处理，来减小氧化石墨间的作用力，使其更易膨胀，而冷冻干燥的效率极低，只适合于实验室研宄，难以将工艺放大，从成本和生产效率方面制约石墨烯的规模化生产。
[0006]另外一部分工艺，则是氧化石墨热膨胀条件苛刻，如中国专利200810151807.X，ACS Nano, 2009，3，3730-3736 和 J Mater Chem 2011，21，5392-5397 所述的工艺为，在氧化石墨的热膨胀过程中，需要较高的负压环境来实现氧化石墨的成功膨胀，其条件较苛刻，对设备的要求极高，从而无形中提高了设备成本，难以放大，同样制约石墨烯规模化生产；JMater Chem 2010，20，8467-8469的报道的工艺是，在石墨烯的制备中则需要氢气环境，从而使氧化石墨与氢气发生激烈反应来实现氧化石墨的膨胀，这样以来，将工艺放大较危险，需要特定的设备，与第一种面临着相似的问题；
【发明内容】
[0007]本发明针对现有技术中不足，提出一种简单的方法，制备制约石墨烯量产的过程，进行了创新性处理。
[0008]本发明的技术是通过以下方式实现的:
[0009]将氧化石墨撒入250°C?400°C炉体中，使其骤然升温，瞬间完成氧化石墨的膨胀得到薄层石墨烯粉末。氧化石墨的热膨胀过程在常压直接完成，不需要已有报道中所提及到的氧化石墨预处理、氢气环境进行膨胀、真空环境下进行膨胀等附加条件。
[0010]所述的氧化石墨可以在80?120°C进行干燥、粉碎后使用。所述的粉碎机包括中药粉碎机、气流粉碎机或化工粉碎机，粉碎所得粉末能过100目及以上的筛子。
[0011]所述的氧化石墨包括人造石墨、天然石墨、鳞片石墨、石墨纳米微片、软碳或具有石墨层状结构碳材料。
[0012]所述的炉体为管式炉、箱式炉、马弗炉、烧结炉、烧结窑。炉体无需保护气氛，炉体压力为常压。
[0013]氧化石墨的制备遵循文献中普遍使用的Hmnmers法。
[0014]我们所开发的工艺不但省去了氧化石墨的前序附加处理，而且将热膨胀条件调整的极其温和，石墨烯的片层数小于10层，在X射线衍射谱中没有明显衍射峰，属于短程有序，长程无序。在提高生产效率的同时，降低了生产成本，非常适合于石墨烯的规模化生产。
【附图说明】
[0015]图1:实施例1得到石墨烯与氧化石墨的XRD测试曲线；
[0016]图2:实施例1得到石墨烯的SEM照片(a)放大倍数为2万；(b)放大倍数为5万；
[0017]图3:实施例1得到石墨烯的(a)片层TEM图；(b)边缘TEM图；(C)电子衍射光斑；
[0018]图4:实施例1得到石墨烯的氮气吸/脱附曲线(内附其比表面积)。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]以鳞片石墨为原料，利用Hummers法得到氧化石墨。将得到氧化石墨洗涤干净后，利用鼓风干燥箱在100 °c对样品进行干燥，