[发明专利]一种具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种操作简单、可大量生产具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法，属于功能材料的制备技术领域。

技术背景

单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二维晶体结构，其中碳原子是以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。该新型二维碳材料具有诸多优异的性能，自2004年被发现以来引起了研究人员的广泛关注。石墨烯是普遍存在于其他碳材料中，并可以看作是其他维度碳基材料的组成单元：如三维的石墨可以看作是由石墨烯单片经过堆砌而形成；零维的富勒烯可看作由特定石墨烯形状团聚而成；而石墨烯卷曲后就可形成一维的碳纳米管结构。

尽管石墨烯只有一个碳原子厚度，是已知材料中最薄的一种，然而却非常牢固坚硬，它比钻石还强硬，其强度比世界上最好的钢铁还高100倍。石墨烯也是目前已知导电性能最出色的材料，其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。此外，石墨烯还具有许多优异的性能：如较高的杨氏模量(1100GPa)、热导率(5000w·m^-1·K^-1)、较高的载流子迁移率(2×10⁵cm²·v^-1·s^-1)、大的比表面积(理论计算值2630cm·g^-1)、铁磁性等。被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。深入研究石墨烯的制备和应用技术，有利于我国炭材料产业结构调整，向高附加值，低能耗的新型纳米材料方向发展，更有利于我国新能源产业，航空航天材料的升级换代，石墨烯的基础和性能研究具有前瞻性和应用性，具有良好的前景。

目前常用的制备方法包括：微机械剥离法、外延生长法和化学法。其中化学法的生产成本相对低廉，且可实现大量生产，成为目前研究的热点之一。该方法的基本思路是，在一定条件下，在某些极性介质中剥离分散石墨并氧化为氧化石墨烯，再经化学还原处理得到石墨烯。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法，采用天然鳞片石墨，用改良hummers法制得氧化石墨，并在马弗炉中进行高温膨胀，制得膨胀石墨，用一定浓度的水合肼进行深度还原，得到大量具有高碳氧比的单层石墨烯。

一种具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

(1)氧化石墨的制备：在干燥的反应器中加入98％浓硫酸和98％浓硝酸，98％浓硫酸和98％浓硝酸的体积比优选23∶10，冷却至0℃，搅拌加入鳞片石墨，浓硝酸与石墨的质量比为7-8∶1，搅拌均匀后，缓慢加入高锰酸钾，高锰酸钾与石墨的质量比为1.5-2∶1，控制反应温度不超过15℃，搅拌10min。再将反应器置于35℃的恒温水浴中，均匀搅拌反应2h。然后30min内加入去离子水，石墨与去离子水的质量比1∶20-30，控制反应温度低于100℃。加入去离子水终止反应，同时加入质量浓度30％H₂O₂水溶液，石墨与双氧水水溶液的质量比1∶1.5-2，趁热过滤，并用5％的HCl和去离子水洗涤至无SO₄^2-(用BaCl₂溶液检测)，然后放在60℃的烘箱中干燥24h。所得产物即为氧化石墨。

(2)高碳氧比的单层石墨烯的制备：将步骤(1)的氧化石墨在马弗炉中900℃-1000℃高温膨胀15-30s，制得膨胀石墨，然后加入无水乙醇分散，每1g氧化石墨用20ml无水乙醇，并超声处理1h。然后加入质量浓度50％的水合肼，膨胀石墨与水合肼水溶液的质量比为1∶8-12，均匀搅拌后在100℃条件下水热24h。反应结束后，样品过滤分离洗涤，并在60℃的真空烘箱中烘干，即制得具有高碳氧比的单层石墨烯。

本发明采用改良hummers法制得轻度氧化的氧化石墨，这时，SO₄^2-和NO₃^-与石墨层的碳形成共价键，插层于石墨层中，破坏了其层间原有的范德华力，使其层间距增大。插有层间化合物的氧化石墨在遇到高温时，层间大量的含氧基团将分解，产生一种沿石墨层间C轴方向的推力，这个驱动力远大于氧化石墨层间结合力，在这个驱动力的作用下，氧化石墨层间被剥离，形成具有单层结构的轻度氧化的氧化石墨。在过量水合肼的还原作用下，单层氧化石墨被还原为具有高碳氧比的单层石墨烯。