[发明专利]一种石墨烯片的制备方法

说明书

 

技术领域

    本发明属于碳材料制备领域，具体涉及一种石墨烯片的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种蜂窝状具有SP²杂化的碳材料，作为单层碳原子平面材料其厚度只有0.335nm，是已知材料中最薄的一种，并且非常坚固。石墨烯具有超高的传导性能和载流子性能，可广泛的应用到电子信息技术中；石墨烯具有超大的比表面积可达2630m²/g，如此高的比表面积使得石墨烯材料成为储能的首选材料，极有可能应用到储氢、超级电容器或者燃料电池中。2004年Geim通过胶带法成功制备了石墨烯并通过实验证明其是可单独存在的二维晶体材料，此研究成果掀起了近年石墨烯研究的热潮。然而量化制备石墨烯成为其广泛应用的瓶颈，如何批量制备性能优良的石墨烯成为研究及其工业应用的关键技术。

目前已有的报道的制备方法主要有：机械剥离法、氧化石墨烯—还原方法、高温解离法、外延增长法和电化学剥落等。氧化还原法是将自然石墨进行强酸强氧化剂处理成氧化石墨烯，经超声分散后将氧化石墨烯通过还原成石墨烯。此方法的还原处理通常是直接化学还原法或者是高温脱氧处理。直接化学还原通常用硼氢化物或者是肼作还原剂，通过化学反应去掉氧化石墨烯上具有的羟基、羧基和环氧基，不过硼氢化物和肼都是具有毒性的物质，可造成环境污染。

机械剥离法是运用机械剥离的方法从高定向的热解石墨中剥离出来单层的石墨烯层，不过该方法将十分的耗时并具有很大的偶然性，并需要借助高倍率的显微镜才能分辩挑选石墨烯材料，此方法不适应工业大规模的生产。

外延增长法通常是在管式炉中通入碳源气体（甲烷、乙炔等），并控制温度为800℃~1300℃使气体分解在金属基或者是碳化硅基底上生成石墨烯。该方法可制备高性能大尺寸的石墨烯，可用于石墨烯的性能和电子器件的研究，但是需要的温度很高且不可大批量的生产。

热解法通常是将自然鳞片石墨进行氧化插层后，进行大于1000℃的高温膨胀，再通过溶剂分散得到大量的石墨烯粉体，此方法要求氧化程度高，制备的石墨烯的纯度低并具有更多的结构缺陷，同时制备的时需要的温度更高，且制备的的石墨烯片的片层更厚。

发明内容

为了克服现有技术中存在不能批量制备石墨烯的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种可控的批量石墨烯片的制备方法。

本发明的所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种制备石墨烯片的方法，包括如下步骤：

（1）将可膨胀石墨进行热膨胀处理成蠕虫状石墨，再用碱性溶液浸泡，抽滤、洗涤后置于溶剂中进行超声分散得微纳米石墨烯片；

（2）将步骤（1）中制备得到的微纳米石墨烯片分散到无机强质子酸中浸泡，抽滤后转入H₂O₂溶液中浸泡，然后抽滤、洗涤、干燥；

（3）将经步骤（2）处理过的微纳米石墨烯片转移到无机饱和溶液或小分子溶剂中，分散后恒温静置，再经抽滤或干燥后进行二次膨胀；

（4）将经步骤（3）处理过的微纳米石墨烯片转移到溶剂中进行超声分散，过滤干燥后转移至具有还原保护气氛的炉子中，进行高温脱氧还原后即得石墨烯片。

作为一种优选方案，步骤（1）中所述的将可膨胀石墨进行热膨胀处理，是指先进行一次以上超声分散，然后再进行热膨胀处理。

作为一种优选方案，步骤（1）中所述的可膨胀石墨为高碳低硫可膨胀石墨，根据制备的样品选择不同的尺寸粒径，具有100ml~350ml/g的膨胀性能。

作为一种优选方案，步骤（1）中所述的膨胀处理，其膨胀温度为400~1050℃；步骤（1）中所述的超声分散，其分散时间为2~30h，超声功率为50~1000W。

作为一种最优选方案，步骤（1）中所述的超声分散，其分散时间为6~12h；超声功率为200~600W。

作为一种优选方案，步骤（1）中所述的碱性溶液为氨水、NaOH或KOH溶液。

作为一种优选方案，所述的稀的碱性溶液的PH值为9~12。

作为一种优选方案，步骤（2）中所述的微纳米石墨烯片是指在步骤（1）中制备得到的微纳米石墨烯片中选择厚度在10nm以上纳微米级的石墨烯片。

作为一种优选方案，步骤（2）中所述的无机强质子酸为发烟硫酸或发烟硝酸或二者的混合；所述的H₂O₂溶液的浓度为1~30质量%。