[发明专利]石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年英国科学家Geim等教授发现了由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环(Science 2004，306，666-669)。石墨烯特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使其表现出许多优异性质。例如，石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达到130GPa，是钢的100多倍，其载流子迁移率达15000cm²·V^-1s^-1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，超过商用硅片迁移率的10倍以上，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可达250000cm²·V^-1·s^-1；其热导率可达5000W·m^-1·K^-1，是金刚石的3倍；还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。因此，将少量石墨烯纳米填充到聚合物基体中，能改善聚合物基体的性能，如导电性、阻隔性能、机械性能以及导热性能等。

目前石墨烯的制备方法主要有两大类：倒置法(Bottom-Up graphene)和顺序法(Top-Down graphene)(Macromolecules 2010，43，6515-6530)。在倒置法中，主要包括包括化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)和外延生长法(epitaxial growth on SiC)。虽然这种方法能够制备出大尺寸、缺陷较少的石墨烯片层，但是其产率较低，适用于基本研究和电子方面的应用，不适用于需要大量石墨烯的聚合物复合材料领域。

在顺序法中，主要包括微机械剥离法和还原法(化学还原和热还原法)。微机械剥离法的产率较低，不适用于石墨烯大规模的制备。由于氧化石墨来源丰富，可以实现大规模的制备及应用，所以还原法中以氧化石墨为原料，加入还原剂对其进行还原从而制备石墨烯的报道较多。目前报道对氧化石墨烯还原的方法主要有：化学方法和热还原法。不论采用哪种还原方法，其目的是所得还原氧化石墨烯与原始石墨烯类似，并且能够满足不同领域的应用。热还原法即通过在惰性气体中快速加热氧化石墨烯到1100℃，可有效还原氧化石墨烯，但是这种方法需要高温条件，对设备和环境的要求较高。化学还原法是加入强还原剂如阱，二甲基阱等对氧化石墨烯进行还原反应，从而恢复石墨烯网结构完整性，赋予这种还原氧化石墨烯导电性。虽然阱的成本较低，但是阱剧毒、不易清除，会造成人身伤害、环境污染和设备损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯及其制备方法。

本发明提供的制备石墨烯的方法，包括如下步骤：将氧化石墨分散于有机溶剂中得到氧化石墨的悬浮液，将格式试剂与所述氧化石墨的悬浮液混匀后回流反应，反应完毕后得到所述石墨烯。

上述方法中，所述格式试剂的结构通式为R-MgX，其中，R为碳原子总数为1-10的烷基中的任意一种，优选甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基或异丁基，X为氟、氯、溴或碘。

所述氧化石墨的粒径为1～200um，优选40～100um；所述氧化石墨中，碳元素、氧元素和氢元素的摩尔比为6∶2～4∶1～3，优选6∶2.33～3.7∶1.2～2.83，具体可为6∶2.33-2.8∶1.2-2.3或6∶2.8-3.7∶2.3-2.83。所述氧化石墨的悬浮液中，氧化石墨的浓度为0.1～20mg/mL，优选1～10mg/mL，具体可为4-10mg/mL、4-6mg/mL、5-6mg/mL、5-10mg/mL、6-10mg/mL、1-4mg/mL、1-5mg/mL、1-6mg/mL或4-5mg/mL。

所述格氏试剂与所述氧化石墨的投料摩尔用量比为0.1∶1～20∶1，优选1∶1～10∶1，具体可为1-5∶1、1-6∶1、5-10∶1或6-10∶1，其中，所述氧化石墨的摩尔量按其中含有氧原子的摩尔用量计算。

所述回流反应步骤中，温度为40～150℃，优选40-120℃，具体可为40-120℃、40-90℃或90-120℃；时间为0.5～96小时，优选4～48小时，具体可为8-48小时、8-20小时、8-10小时、10-48小时、10-20小时或20-48小时。所述回流反应在惰性气氛中进行；所述惰性气氛为氮气或氩气；