[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大量制备高质量石墨烯的方法，属无机材料化学领域。

背景技术

石墨烯自2004年被Geim小组发现以来，便迅速引发科学家的极大关注，研究热潮持续至今。石墨烯只有单原子层厚度，是由碳原子组成的二维网状平面有序堆积而成的晶体，可作为构筑其它碳材料的基本单元。同时，它还是一种零禁带半导体材料。这些结构特性使石墨烯具有很多优异性能和特殊效应，如：突出的比表面积、极好的热传导性、极高的电子输送效率、迪拉克费米子、双机场效应及室温下的量子霍尔效应等，因而，被认为在生物、能源、光电、机械等领域具有十分诱人的应用前景。

目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、取向附生法、加热SiC法、化学分散/还原法以及化学气相沉积法等。化学法首先利用氧化反应将石墨氧化为氧化石墨，通过在石墨层与层之间的碳原子上引入含氧官能团而增大层间距，进而削弱层间的相互作用。常见的氧化方法有Brodie法、Staudenmaier法及Hummers法，其原理均是先用强酸对石墨进行处理，然后加入强氧化剂进行氧化。氧化后的石墨通过超声剥离而形成氧化石墨烯，然后加入还原剂进行还原，从而得到石墨烯。常用的还原剂有水合肼、NaBH₄以及强碱超声还原等。NaBH₄由于价格比较昂贵且容易残留B元素，而强碱超声还原虽然操作简单且较环保，但很难还原彻底，还原后通常会有大量含氧官能团的残留，因而通常采用较廉价水合肼来还原氧化石墨。水合肼还原的优点在于还原能力较强且水合肼易于挥发，在产物中不会残留杂质，在还原过程中，通常加入适量的氨水，一方面提高水合肼的还原能力，另一方面可以使石墨烯的表面因带负电荷而相互排斥，进而减少石墨烯的团聚。

通过化学氧化还原法可以实现石墨烯的大批量制备，且中间产物氧化石墨烯在水中的分散性较好，易于实现对石墨烯的改性及功能化，因此该方法常被用于复合材料、储能等研究中。但是因为氧化、超声过程中部分碳原子的缺失以及还原过程中含氧官能团的残留往往使得制得的石墨烯含有较多的缺陷，使其导电性降低，进而限制了其在对石墨烯质量要求较高的领域中的应用。其中化学分散/还原法，由于其所需制备条件较为温和且合成成本低廉，被认为是最适宜于大量制备石墨烯的方法。但是此合成方法也存在费时、费水、产率低，产物石墨烯表面缺陷较多，导电性有一定损失等缺陷。因此，化学分散/还原法要真正实现工业化的石墨烯大规模制备，必须对以上不足之处进行改进。

发明内容

本发明针对现有化学分散/还原制备石墨烯方法的不足，提出一种氨水洗涤大量制备高质量石墨烯的方法。

本发明提供的制备石墨烯的方法包括下述步骤：

1）制备中性氧化石墨：向酸性氧化石墨和水的混合物中滴加10%-30%氨水，搅拌调节体系的pH值至7～8，搅拌10～30分钟，静置5-10分钟后；将氧化石墨在离心机中离心5～65分钟，倒掉上清液，得到中性的氧化石墨沉淀。

优选的，所述酸性氧化石墨为以鳞片石墨为原料，利用Hummers法制得的酸性氧化石墨。

向酸性氧化石墨溶液滴加10%-30%氨水，搅拌调节溶液的pH值至7～8，搅拌10～30分钟，静置5-10分钟，可将氧化石墨洗至中性，此过程中水和酸性氧化石墨比值对该步骤不产生影响；将洗至中性的氧化石墨离心得到中性的氧化石墨沉淀。

2）石墨烯的制备：将上述制得的中性氧化石墨沉淀以1:5～5:1的体积比与水合肼溶液充分混合，超声分散后，在150～250℃下反应10～60小时，经过滤、水洗、干燥得到石墨烯，将其保存于干燥器中备用。

优选的，反应时间为24～60小时。

优选的，所述水合肼溶液的质量分数为85%。

优选的，超声分散的时间为30～300分钟。

优选的，超声分散后的溶液在带聚四氟乙烯内衬的反应釜中反应。

利用本发明方法制备的石墨烯产物具有少层甚至单层的结构，产率较高、比表面积和比电容均不逊色于传统化学氧化-还原法制备的石墨烯。

本发明使用10%-30%氨水溶液调节酸性氧化石墨溶液的pH值至中性或偏碱性，既有效地缩短了离心分离所需时间、又节约大量洗至中性所需用水，同时还能基本保证产物石墨烯的特性，具有操作简单、成本低廉、石墨烯产率高等优点。而中性氧化石墨未经干燥处理便在水合肼溶液中分散，在保证氧化石墨完全分散的同时，减少了有毒分散介质的用量，具有一定的环保意义。本发明制备的石墨烯已被应用于吸附工业废水中汞等重金属离子，并取得了一定的成效。。

附图说明