[发明专利]一种高纯度、高浓度石墨烯悬浮液的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种高纯度、高浓度石墨烯悬浮液的制备方法。

背景技术

近年来，超声波已被广泛应用于制备纳米材料，它在穿过液体介质时可产生强烈的空化和振动效应，从而为化学反应提供独特的反应场所，已经发展成为一种普适的纳米材料制备方法。超声波的空化作用所产生的高温和在固体表面所产生的大量微小气泡降低了微小晶粒的比表面自由能，抑制了晶核聚集和长大；超声波空化产生的强冲击波和微射流对颗粒的剪切和破碎作用有效地减小了微小颗粒间的范德华力，从而有效阻止微小颗粒的团聚；超声波在液体中又能形成流体的湍动，有利于微小颗粒的分散与悬浮液的稳定。

石墨烯(Graphene)自2004年被英国曼彻斯特大学的Geim教授等发现以来，以其独特的结构和优异的性能引起了科学界的广泛关注，被预测在很多领域将引起革命性的变化(Novoselov K.S.et al.Science，2004，306(5296)，666-669)。石墨烯作为碳元素中一种新的同素异形体，具有特殊的蜂窝状二维结构，由单层碳原子组成，因此具有优异的电学、力学和热学性质。石墨烯具有高的电子迁移率(2×10⁵cm²(V·s)^-1)，比硅半导体的电子迁移率高100倍，比砷化镓的电子迁移率高20倍，可以广泛用在电子器件和纳米电路中。石墨烯是真正的表面性固体，单层石墨烯的理论比表面积高达2600m²·g^-1，是理想的储能材料。石墨烯具有优异的力学性能，其理想强度高达110-130GPa；而且具有超高的导热率，由无触点测量技术得到的热导率为3080-5150W·(m·K)^-1，可以广泛用于复合材料中，提高复合材料的性能(Rao C.N.R.et al Angewandte Chemie-International Edition，2009，48，7752-7778)。

石墨烯由于层与层之间强烈的π-π相互作用，极易团聚，使其加工和应用受到了限制。石墨烯的优异性能和它的单层结构息息相关，团聚导致石墨烯片层的堆砌使石墨烯的优异性能难以表现出来。石墨烯的制备方法很多，例如化学气相沉积、溶剂剥离和微机械剥离等，这些方法制备的石墨烯都存在可加工性差的缺点。石墨烯由大量纯碳原子构成，不易亲水亲油；石墨烯拥有高比表面积，层与层之间的范德华力使其极易发生不可逆团聚；石墨烯的难浸润性使其难以分散于水或有机溶剂中制备成稳定的石墨烯悬浮液。这些限制了石墨烯在旋涂、滴涂、喷涂、液-液自组装和复合材料等领域的应用，因此，制备出稳定分散的高浓度石墨烯悬浮液则是拓展石墨烯应用领域的有效途径。

氧化-还原法是制备石墨烯的重要方法之一，然而在通过还原剂使氧化石墨烯向石墨烯转化的过程中，往往伴随着石墨烯的团聚，难以得到稳定分散的高浓度石墨烯悬浮液。早期，在还原过程中加入表面活性剂、聚合物或其它修饰剂能够得到稳定的石墨烯悬浮液，但这些方法引入的杂质降低了石墨烯的纯度，导致石墨烯电导率降低、导热性变差，限制了石墨烯的应用。后来，学者在化学还原过程中利用氨水调节pH，借助静电作用也能得到稳定的石墨烯悬浮液，但仅适用于较低浓度(0.5mg·mL^-1)，浓度过高就会发生团聚(Li，D.et al.Nature Nanotechnology，2008，3(2)，101-105)；利用微波和高温(150℃)环境在N，N-二甲基乙酰胺中制备的石墨烯悬浮液也具有浓度低(0.56mg·mL^-1)，电导率低(200S·m^-1)的缺点。目前已有的方法很难制备出高电导率的石墨烯及其高浓度稳定的悬浮液。因此，要拓展石墨烯的应用领域，寻找一种简单的稳定的高浓度石墨烯悬浮液的制备方法显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于针对目前石墨烯悬浮液制备中仍存在的局限，提供一种高纯度、高浓度石墨烯悬浮液的制备方法。本发明借助超声波作用制备出了高电导率的石墨烯及其稳定分散的高浓度石墨烯悬浮液，并且降低了反应温度，缩短了反应时间，使得生产工艺易于工业化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)氧化石墨的制备：