[发明专利]一种石墨烯材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯合成领域，尤其是一种石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，并获得2010年物理诺贝尔奖。由于其独特的结构和良好的光电性质，石墨烯目前已成为碳材料、纳米技术和功能材料等领域的研究热点之一。目前制备石墨烯材料的方法主要是氧化还原法，但在制备过程中，石墨烯的片层结构极易被破坏，石墨烯间团聚，严重影响了其导电、导热性能。如何克服上述技术缺陷，开发新的石墨烯制备方法，已经成为当前石墨烯领域的研究热点之一。

离子液体是指全部由离子组成的液体，是一种环境友好型的溶剂，对无机物、有机物及聚合物均具备良好的溶解性或分散性，被称为“绿色溶剂”。近年来，有研究（如专利201210249137.1、201210135363.7）将石墨粉或碳纳米管悬浮于离子液体中，然后进行搅拌或超声或挤出，从而制得分散性好的石墨烯材料，但由于石墨粉或碳纳米管结构较为紧凑，剥离难，采用这类方法制得的石墨烯单层率低，石墨烯的性能受到了限制。

发明内容

为克服上述技术缺陷，本发明提供了一种石墨烯材料及其制备方法，该方法先将石墨与碱金属混合热处理，制得碱金属插层石墨后再分散于离子液体中，经超声处理后制得片层结构完整，单层率高，分散性好的石墨烯材料。

一方面，本发明提供了一种石墨烯材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）在惰性气体氛围下，将石墨与碱金属按摩尔比1～5：1的比例混匀后装入到密封容器中，抽真空至10～1000Pa，然后以200～1000℃热处理12～120小时，得到碱金属插层石墨；

（2）取碱金属插层石墨，按固液比1g：10~100mL的比例加入到熔融的离子液体中，搅拌均匀后放入超声粉碎机中，以2～10kW的功率超声处理0.5～100分钟，得到石墨烯悬浮液；

（3）过滤所述石墨烯悬浮液，取滤渣用有机溶剂洗涤过滤，然后再用去离子水反复冲洗过滤直至洗出液呈中性，干燥滤物，得到石墨烯材料。

优选地，所述惰性气体氛围为氮气、氩气或氦气。

优选地，所述石墨为天然磷片石墨、人造石墨和膨胀石墨中的一种。

优选地，所述碱金属为锂、钠、镁、钾、钙、铷、锶和钡中的至少一种。

优选地，所述离子液体为凝胶状或凝固状的离子液体；所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐和1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。

优选地，所述离子液体熔融时的熔融温度为150~300℃。

优选地，所述超声处理，超声功率为5～8kW，超声处理时间为20～50分钟。

其中，所述有机溶剂为可溶解离子液体的有机溶剂。优选地，所述有机溶剂N，N-二甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基甲酰胺。

优选地，所述干燥滤物的操作为：将清洗干净后的滤渣放到真空干燥箱中，以60～100℃干燥10～20小时。

本发明先将石墨与碱金属混合热处理，使碱金属插入到石墨片层间，增大了石墨层间的间距，从而使得制得的碱金属插层石墨易于剥离；碱金属插层石墨悬浮在离子液体中，被超声波剥离，在不破坏石墨烯的结构的前提下，制得单层率高石墨烯材料；离子液体具有较好的分散性，制备过程中石墨烯始终分散在离子液体中，不发生团聚现象，因而制得的石墨烯材料导电性好，电导率可高达10⁶S/m以上。制备方法工艺简单，剥离效果好，原料来源广，成本低，适合工业化生产。

另一方面，本发明还提供了一种石墨烯材料，所述石墨烯材料是由上述制备方法制得的。

本发明所述石墨烯材料片层结构完整、单层率高，分散性好，适于用于制备电化学电容器的电极，可提高化学电源能量密度与功率密度。

相比于现有技术，本发明所述石墨烯材料及其制备方法具有以下有益效果：

（1）将碱金属插入到石墨片层间，增大了石墨层间的间距，减小了后续的剥离难度，以制得高单层率的石墨烯材料；