[发明专利]一种石墨烯的简易宏量制备及功能化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的简易宏量制备及功能化的方法。

背景技术

石墨烯是由单层sp²杂化的碳组成的二维结晶体，它是碳的许多同素异形体如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本结构单元。自从Gaim等于2004年首次剥离出孤立的石墨烯以来，石墨烯奇异的物理化学特性已引起了越来越多研究学者的关注。然而，目前石墨烯的研究依然处于基础研究阶段，制约石墨烯应用的瓶颈主要是没有廉价、高效的生产手段及方便快捷的功能化方法。

石墨烯制备方法主要包括透明胶带剥离石墨法、碳化硅外延生长法、化学气相沉积法、氧化石墨剥离法。尽管透明胶带剥离石墨烯的发明者Gaim和Novoselov已经获得2010年诺贝尔奖，但是这种方法需耗费大量的劳动力，效率很低（K.S.Novoselov,A.K.Geim,et al.,Science 306,666(2004)）。碳化硅外延生长法和化学气相沉积法需要较高的合成温度，一般大于800°C（P.W.Sutter,J.I.Flege,E.A.Sutter,Nat.Mater.7,406(2008);W.Norimatsu,M.Kusunoki,Chem.Phys.Lett.468,52(2009)），另外，外延生长的石墨烯一般附着在基底上，石墨烯与基底的分离或转移也是一个技术难题。利用化学法在溶液中通过氧化石墨来剥离石墨烯已受到很多研究学者的青睐，但是这种方法大量用到的强氧化剂如KMnO₄、HNO₃和H₂SO₄等给环境造成了很大污染，而且其后续繁琐的抽滤、洗涤及还原步骤增加了其生产成本(Y.Hernandez et al.,Nature Nanotech.3,563(2008);M.Lotya et al.,J.Am.Chem.Soc.131,3611(2009))。因此，开发一种简便宏量制备石墨烯的方法显得非常必要。

另外，石墨烯的功能化是拓宽石墨烯应用的一个重要手段，目前石墨烯的功能化主要包括含氧官能团的引入、杂原子的掺杂、及金属纳米颗粒的负载，石墨烯的功能化一般是通过石墨烯的后处理来进行，这增加了额外的生产工序，因此，如果能在石墨烯的生产阶段同时将其功能化将大大减少其生产成本。

基于此，我们开发了一种基于球磨石墨基材料的方法直接制备石墨烯，可以根据需要，通过在球磨的过程中引入功能化的分子直接合成出具有不同应用功能的石墨烯。本方法所合成的石墨烯及功能化的石墨烯有望在催化、锂离子电池、超级电容器、储氢、传感器等多个领域有潜在的应用。

发明内容

本发明公开了一种石墨烯的简易宏量制备及功能化的方法。具体地说，该方法通过直接球磨石墨基材料得到石墨烯，通过改变球磨的时间、转速和能量来调变所得石墨烯的尺寸；进一步，通过在球磨的过程中添加功能化的分子可以得到功能化的石墨烯。

一种石墨烯的简易宏量制备及功能化的方法：

（1）将石墨基材料与若干球磨球在惰性气体保护下密封至球磨罐中；

（2）将（1）中的球磨罐置于行星式球磨机上球磨0.2–60小时；

（3）将球与样品分离即得到石墨烯；

（4）将石墨基材料或（3）中所得石墨烯与功能化的分子一起球磨0.2–60小时，即得功能化的石墨烯。

所述石墨基材料可以是石墨、碳纳米管、氮或硼掺杂的碳纳米管的一种或两种以上；

所述球磨球可以是不锈钢球、玛瑙球或氧化锆球；球的直径为3–15毫米；

所述球磨罐的材质可以是不锈钢、玛瑙或氧化锆；

所述球料比（质量比）为120:1–10:1；

所述球磨转速为：50–700转/分；

所述惰性气体是氮气、氩气或氦气；

可以通过直接将球取出或通过筛子将球与石墨烯分离；

所述功能化分子指氨水、水合肼、硼烷、氨硼烷、碳化硅、二茂铁、酞菁铁、酞菁钴、羰基铁中的一种或两种以上；

所述石墨基材料或石墨烯与功能化分子质量比为99:1–1:9。

本发明通过直接球磨石墨基材料得到石墨烯，通过改变球磨的时间、转速和能量可以调变所得石墨烯的尺寸；通过球磨石墨基纳米材料与功能化的分子可以得到功能化的石墨烯。本方法具有廉价、简单和易于操作的特点，能够方便快速地实现石墨烯及其功能化产物的规模化生产。

本发明具有如下优点：

1.原材料石墨基材料如天然石墨、碳纳米管等，来源广泛、价格低廉。