[发明专利]一种电化学剥离制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体涉及石墨烯的制备方法。 

背景技术

自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、二维的石墨、一维的碳纳米管和零维的富勒烯球组成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来都是碳材料研究的一个热点。石墨本身不是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子(Graphene)才是准二维结构的碳材料，人们一直在试图找到一种方法来制备这种结构的碳材料。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim课题组用一种极为简单的方法剥离并观测到了单层石墨烯晶体，这一发现立刻震撼了科学界，随后这种新型碳材料成为材料学、物理学和化学领域的一个研究热点。 

完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，它是由六角元胞组成，可以看作是一层被剥离的石墨片，每个碳原子通过很强的共价键与其他三个碳原子相连接，这些很强的C-C键致使石墨烯片层具有优异的结构韧性。单层石墨碳原子层是指一个C原子层厚度的石墨，由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，是构成其他sp²石墨材料的基本单元，它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene)，卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nanotube，CNT)或者堆垛成三维(3D)的体相石墨(graphite)。 

由于独特的二维晶体结构，石墨烯具有优异的性能。石墨烯材料的理论比表面积高达2630m²/g，是目前已知最硬的材料，兼有石墨和碳纳米管等材料的高热导性和高机械强度。更为奇特的是，石墨烯具有独特的电子结构和电学性质，石墨烯的价带(π电子)和导带(π*电子)相交于费米能级处(K和K’点)，是能隙为 零的半导体，在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。而且石墨烯中电子的运动速度达到光速的1/300，其电子行为需要用相对论量子力学中的狄拉克方程来描述，电子的有效质量为零。 

当前石墨烯的应用前景：1.石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，也可以来制造太空电梯缆线；2.它是已知导电性能最出色的材料，适合于高频电路，被看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机；3.石墨烯和其他材料组成复合材料，应用于储能领域，例如锂离子电池和超级电容器等。 

鉴于石墨烯极好的结晶性和优异的电学、热力学和力学性能及其广阔的应用前景，国际上已有越来越多的学者参与到石墨烯的合成与性能的研究，目前石墨烯的合成方法主要有微机械分离法、加热SiC法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀法和还原法。不同制备方法得到的石墨烯质量不同。最普通的是微机械分离法，即用一种特制的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二，不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片。该方法存在可操作性不强，难以大规模生产的缺点；加热SiC法存在着制得的石墨烯难于分离的缺陷；化学气相沉积法是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯，以金属单晶或金属薄膜为衬底，在其表面上暴露并高温分解含碳化合物可以生成石墨烯结构，通过衬底的选择、生长的温度、前驱物的暴露量等生长参数能够对石墨烯的生长进行调控，但该方法存在耗能大，设备要求高，实验条件控制精度要求高等缺点；而氧化石墨的热膨胀法和还原法则存在安全性或者成本较高等缺点。 

有鉴于此，确有必要提供一种操作简单，安全可靠，成本较低的石墨烯的制备方法。 

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种操作简单，安全可 靠，成本较低的石墨烯的制备方法。 

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种电化学剥离制备石墨烯的方法，其包括以下步骤： 

步骤一，用含石墨材料的极片、含锂的对电极极片、含碳酸丙烯酯(PC)的电解液和隔膜组装成电池，上述材料广泛存在，取材简便，尤其可以从废旧电池中回收再利用，使得资源再生，环保低碳。 

步骤二，对步骤一中组装好的电池进行充放电测试，使锂离子和PC形成溶剂化锂离子进入石墨层间，使得石墨层层剥离，最终形成石墨烯材料和Li₂CO₃；未形成溶剂化的锂离子则和石墨形成LiC₆；具体石墨烯形成机理：PC·mLi+Cn→C₃H₆(g)↑+Li₂CO₃+nC(石墨烯)。 

步骤三，将步骤二中电池进行充电或者放电测试，去除步骤二中石墨极片中的锂；