高导电率石墨烯制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及石墨烯制备方法，具体为高导电率石墨烯制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯中碳原子与周围的碳原子形成稳定的苯六元环结构，构成了其基本单元。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 ff/ (m.K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迀移率超过15000 cm2 /(V.s)，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10_6Ω.cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待作为导电材料被广泛的应用。目前制备石墨烯的主要方法有机械剥离法、外延生长法、氧化还原法和化学气相沉淀法(CVD)等多种制备方法。机械剥离法、外延生长法与化学气相沉淀法制备石墨烯的效率较低、条件苛刻、设备昂贵等缺点，难以低成本批量制备石墨烯材。而迄今使用最广泛的Hummer's氧化还原的化学制备方法因为制备工艺相对简单，且不需要特殊昂贵设备，被认为是目前最具有应用前景的制备石墨烯方法，但是，通过化学氧化还原法合成的石墨烯的结构遭到破坏且有显著缺陷，导电率大幅度降低，不利于作为高导电材料的应用；另外化学氧化还原法制备步骤较多，且氧化石墨制备过程影响因素多而复杂，大大影响了石墨烯产品的制备稳定性，不利于产业化。因此，研宄一种能够低成本批量生产、制备方法简单、产品稳定性好、导电率高的石墨烯制备方法是十分有必要的。
【发明内容】
[0003]本发明解决现有的石墨烯制备方法难以低成本批量生产性能稳定、导电率高的石墨烯，以及现有制备方法步骤多、制备过程中影响产品稳定性的因素多而复杂的问题，提供一种高导电率石墨烯制备方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
高导电率石墨烯制备方法，是通过以下技术方案实现的:
1)、将可膨胀石墨材料置于加热炉中加热，得到膨胀石墨；
2)、将一定量的膨胀石墨分散在表面张力小于30dyn/cm的液体有机溶剂中，在-5°C ~100°C条件下，超声处理1.5-3.5h，然后以500~1000转/分钟离心除去沉淀物，而后进一步以大于1000转/分钟的转速离心得到二次沉淀物，将二次沉淀物干燥后得到高导电率石墨烯，所述膨胀石墨与有机溶剂的质量比为1:100~300。
[0005]有机溶剂表面张力小于30dyn/cm，利于膨胀石墨在有机溶剂中分散，使得膨胀石墨有利于剥离。第一次离心为滤除多层结构的石墨烯杂质，以更高转速二次离心得到的是单层结构的石墨烯，为本发明所要制备的。
[0006]所述步骤I)中的可膨胀石墨为可膨胀度大于50ml/g的可膨胀石墨。可膨胀石墨的可膨胀度大于50ml/g，可保证最终产物的单层结构。所述步骤I)中的膨胀石墨为可膨胀石墨在加热炉中加热至600~800°C保持30s~lmin处理制得。加热温度600~800°C并保持30s~lmin，保证可膨胀石墨得到充分膨胀。所述步骤2)中液体有机溶剂中还添加有有机溶剂质量lwt%的含氟的有机表面活性试剂。含氟的有机表面活性试剂可减小有机溶剂的表面张力，更加利于膨胀石墨的剥离和在有机溶剂中分散均匀。所述表面张力小于30dyn/cm的液体有机溶剂包括丙酮、四氢呋喃、乙醇、二甲基甲酰胺、烷烃类液体有机物质。所述步骤2)中的含氟有机表面活性试剂，包括但不局限于全氟2-丁基四氢呋喃、全氟三乙基胺。所述超声处理的功率大于120W。
[0007]本发明与现有技术相比具有以下优点:1、在低表面张力的有机溶剂和超声的双重作用下剥离膨胀石墨，没有氧化化还原反应，没有引进杂质，与传统化学制备方法相比，生成的石墨稀缺陷少、层数少(单层)，导电率更高(可达220 S.cnT1) ;2、无需特殊设备，制备方法简便，稳定性好，性能优异，利于产业化生产。
【附图说明】
[0008]图1为本发明制备的石墨烯有机分散液实物光学照片；说明本发明制备的石墨烯溶液在有机相中稳定性好；
图2为本发明制备的石墨烯产品的拉曼光谱；由图可知，本发明制备的石墨烯缺陷较少；
图3为本发明制备的石墨烯产品AMF图；由图可知，本发明制备的石墨烯厚度仅为1.0nm左右，为单层石墨稀。
【具体实施方式】
[0009]实施例一:高导电率石墨烯制备方法，包括以下操作步骤:
1)、将可膨胀度为51ml/g的可膨胀石墨置于加热炉中加热至650°C保持lmin，得到膨胀石墨；
2)、将一定量的膨胀石墨分散在含有全氟2-丁基四氢呋喃的表面张力小于30dyn/cm的丙酮中，所述膨胀石墨与有机溶剂的质量比为1:200，所述表面活性试剂含量为
0.01wt%，在25°C条件下，以121W的功率超声处理2.5h，然后以890转/分钟离心除去沉淀物，而后进一步以1100转/分钟的转速离心得到二次沉淀物，将二次沉淀物干燥后得到高导电率石墨烯。
[0010]实施例二:高导电率石墨烯制备方法，包括以下操作步骤:
I )、将可膨胀度为60ml/g的可膨胀石墨置于加热炉中加热至800°C保持30s，得到膨胀石墨；
2)、将一定量的膨胀石墨分散在含有全氟三乙基胺的表面张力小于30dyn/cm的四氢呋喃中，所述膨胀石墨与有机溶剂的质量比为1:250，所述表面活性试剂含量为0.75wt%，在70°C条件下，以150W的功率超声处理1.5h，然后以650转/分钟离心除去沉淀物，而后进一步以2000转/分钟的转速离心得到二次沉淀物，将二次沉淀物干燥后得到高导电率石墨稀。
[0011]实施例三:高导电率石墨烯制备方法，包括以下操作步骤:
I )、将可膨胀度为80ml/g的可膨胀石墨置于加热炉中加热至700°C保持45s，得到膨胀石墨； 2)、将一定量的膨胀石墨分散在含有全氟2- 丁基四氢呋喃的表面张力小于30dyn/cm的乙醇中，所述膨胀石墨与有机溶剂的质量比为1: 100，所述表面活性试剂含量为^^%，在100°C条件下，以200W的功率超声处理2h，然后以1000转/分钟离心除去沉淀物，而后进一步以3000转/分钟的转速离心得到二次沉淀物，将二次沉淀物干燥后得到高导电率石墨烯。
[0012]实施例四:高导电率石墨烯制备方法，包括以下操作步骤:
I )、将可膨胀度为60ml/g的可膨胀石墨置于加热炉中加热至600°C保持50s，得到膨胀石墨；
2)、将一定量的膨胀石墨分散在含有全氟三乙基胺的表面张力小于30dyn/cm的二甲基甲酰胺中，所述膨胀石墨与有机溶剂的质量比为1:150，所述表面活性试剂含量为
0.5wt%，在50°C条件下，以160W的功率超声处理3.5h，然后以500转/分钟离心除去沉淀物，而后进一步以1500转/分钟的转速离心得到二次沉淀物，将二次沉淀物干燥后得到高导电率石墨烯。
[0013]实施例五:高导电率石墨烯制备方法，包括以下操作步骤:
I )、将可膨胀度为70ml/g的可膨胀石墨置于加热炉中加热至750°C保持40s，得到膨胀石墨；
2)、将一定量的膨胀石墨分散在含有全氟2- 丁基四氢呋喃的表面张力小于30dyn/cm的烷烃类液体有机物质中，所述膨胀石墨与有机溶剂的质量比为1:300，所述表面活性试剂含量为0.25wt%，在-5°C条件下，以130W的功率超声处理3h，然后以750转/分钟离心除去沉淀物，而后进一步以5000转/分钟的转速离心得到二次沉淀物，将二次沉淀物干燥后得到高导电率石墨烯。
【主权项】
1.一种高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:是通过以下技术方案实现的: 1)、将可膨胀石墨材料置于加热炉中加热，得到膨胀石墨； 2)、将一定量的膨胀石墨分散在表面张力小于30dyn/cm的液体有机溶剂中，在-5°C ~100°C条件下，超声处理1.5-3.5h，然后以500~1000转/分钟离心除去沉淀物，而后进一步以大于1000转/分钟的转速离心得到二次沉淀物，将二次沉淀物干燥后得到高导电率石墨烯，所述膨胀石墨与有机溶剂的质量比为1:100~300。2.根据权利要求1所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述步骤I)中的可膨胀石墨为可膨胀度大于50ml/g的可膨胀石墨。3.根据权利要求2所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述步骤I)中的膨胀石墨为可膨胀石墨在加热炉中加热至600~800°C保持30s~lmin处理制得。4.根据权利要求1或2或3所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述步骤2)中液体有机溶剂中还添加有有机溶剂质量lwt%的含氟的有机表面活性试剂。5.根据权利要求1或2或3所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述表面张力小于30dyn/cm的液体有机物包括丙酮、四氢呋喃、乙醇、二甲基甲酰胺、烷烃类液体有机物质。6.根据权利要求4所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述表面张力小于30dyn/cm的液体有机物包括丙酮、四氢呋喃、乙醇、二甲基甲酰胺、烷烃类液体有机物质。7.根据权利要求5所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述步骤2)中的含氟有机表面活性剂，包括但不局限于全氟2- 丁基四氢呋喃、全氟三乙基胺。8.根据权利要求6所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述步骤2)中的含氟有机表面活性剂，包括但不局限于全氟2- 丁基四氢呋喃、全氟三乙基胺。9.根据权利要求7所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述超声处理的功率大于120W。10.根据权利要求8所述的高导电率石墨烯制备方法，其特征在于:所述超声处理的功率大于120W。
【专利摘要】本发明涉及石墨烯制备方法，具体为高导电率石墨烯制备方法，解决现有的制备方法难以低成本批量生产性能稳定、导电率高的石墨烯，以及现有制备方法步骤多、制备过程中影响产品稳定性的因素多而复杂的问题，方案为：1）将可膨胀石墨加热制得膨胀石墨；2）在低表面张力的有机物质和超声双重作用下剥离膨胀石墨，二次离心去除杂物，二次离心沉淀物干燥得到高导电率的石墨烯。本发明的优点：1、在低表面张力的有机溶剂和超声的双重作用下剥离膨胀石墨，没有氧化化还原反应，没有引进杂质，与传统化学制备方法相比，生成的石墨烯缺陷少、层数少，导电率更高；2、无需特殊设备，制备方法简便，制备的石墨烯性能稳定性好，性能优异，利于产业化生产。
【IPC分类】C01B31/04
【公开号】CN104944421
【申请号】CN201510400084
【发明人】孙友谊, 郑璐, 张文辉, 马骏, 晋日亚, 曹杨
【申请人】中北大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月10日