[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯，特指一种制备石墨烯的方法，属于新型炭材料领域。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的超薄及超硬二维材料，它可以包裹起来形成零维的富勒烯，卷起来形成一维的纳米碳管，层层堆积形成三维的石墨，石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，由于这些特性，石墨烯可望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、量子计算机、超灵敏传感器、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。

石墨烯的可控规模化制备是实现其工业化应用的前提条件，目前石墨烯的制备方法主要有微机械分离法、气相沉积法、有机合成法、化学还原法等；近年来，上述几种不同制备石墨烯的方法虽然一直在改进，但都存在着诸多不足。如微机械分离法，不易控制所制片层的尺寸；气相沉积法具有成本较高且工艺复杂、制备条件苛刻等缺点，不适用于大批量生产；化学还原法的难点在于氧化技术难于控制，后续的还原过程难于彻底，导致所制备石墨烯存在大量缺陷，使石墨烯部分性能丧失，且和有机合成法一样，对环境污染较重；普通的水热法制备石墨烯往往以改进Hummer法为先期工序，危险性较大，实验过程不但用到大量强酸，而且成本高昂步骤繁琐，鉴于此，寻找一种原料易得、成本低廉、绿色环保、操作简便并可获得高质量稳定石墨烯薄片的方法就迫在眉睫。

发明内容

针对技术背景中所阐述的现有制备技术的不足，本发明的目的旨在提供一种新的制备较大片单层或双层石墨烯的方法，以解决操作难以控制，成本较高及污染环境等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：称取硅酸钠，加入去离子水溶解，每40mL去离子水中加入2.1~21.3g硅酸钠，将膨胀石墨（EG）浸渍在硅酸钠的水溶液中10min~120min，再称取铝酸钠及氢氧化钠，加入去离子水配制成溶液，每15mL去离子水中加入1.2g铝酸钠和0.3~4.5g氢氧化钠，边搅拌边将溶液缓慢滴加至浸渍膨胀石墨的硅酸钠水溶液中，EG、硅酸钠、铝酸钠及氢氧化钠的质量比为0.2~1.2∶2.1~21.3∶1.2∶0.3~4.5，室温下静置2~12h，然后移入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中，控制反应温度80~200℃，水热反应8~24h，待反应完成后，将产物过滤、洗涤、烘干，将此产物分散于乙醇中，再在循环冷水超声条件下分散4~16h，得到稳定的分散物，过滤，烘干得石墨烯。

本发明的水热制备法为制备较大片单层或双层石墨烯提供了一条新途径，操作简单，易于控制，原料廉价易得且有利于环境保护。

附图说明

图1为实施例2所制得的石墨烯的AFM图；

图2为实施例2所制得的石墨烯的TEM图；

图3为实施例2所制得的石墨烯的Raman图；

图4为实施例2所制得的石墨烯的TG图。

具体实施方式

本发明结合实例作进一步详述：

实施例1：

先将鳞片石墨通过氧化插层，高温膨化制得膨胀石墨，称取2.1g硅酸钠溶于40mL去离子水中，加入0.2g膨胀石墨，浸渍10min，得混合体系a，称取1.2g铝酸钠及0.3g氢氧化钠溶于15mL水中，得溶液b，将溶液b边搅拌边缓慢滴加入混合体系a中，搅拌10min，室温静置12h，然后倒入100mL反应釜中，160℃水热反应8h，降至室温，过滤洗涤烘干，加入50mL无水乙醇，超声分散4h，过滤烘干得石墨烯。

实施例2：

先将鳞片石墨通过氧化插层，高温瞬时膨化制得膨胀石墨，称取10.7g硅酸钠溶于40ml去离子水中，加入0.8g膨胀石墨，浸渍60min，得混合体系a，称取1.2g铝酸钠及1.8g氢氧化钠溶于15ml水中，得溶液b，将溶液b边搅拌边缓慢滴加入混合体系a中，搅拌10min，室温静置6h，然和倒入100ml反应釜中，120℃水热反应12h，降至室温，过滤洗涤烘干，加入50ml无水乙醇，超声分散8h，过滤烘干得石墨烯。

图1是实施例2制得的石墨烯AFM图，从图1中可以看出石墨烯的片层仅为2nm左右，由于石墨烯片与硅衬底间存在着0.5 ~0.8 nm的空隙，且石墨烯边缘区域存在翘曲及褶皱，所以石墨烯层与硅片层之间的距离偏大，由此推断，本实验所制得的石墨烯片多为单层或双层。

图2是实施例2制得的石墨烯TEM图，从图2可以看出石墨烯石墨烯片层边缘整齐而完好，表面缺陷少，完整性较好，表明在经过插层及超声处理后已获得了较高质量的石墨烯。