[发明专利]一种提纯分级石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明是关于石墨烯，特别涉及一种提纯分级石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出来的单层碳原子材料，碳原子排列具有蜂窝状或正六边形结构，是碳原子构成的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335nm，厚度仅为头发丝的20万分之一，是构建其他维数碳至质材料，如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本单元，具有极好的结晶性及电学质量。2004年，英国曼彻斯特大学的Novoselov和Geim等人利用机械剥离的方法在实验室中第一次成功制备了单层石墨烯，得到的石墨烯不仅质量高，而且在外界环境中可以稳定存在。

石墨烯的制备方法有多种，但较为成熟的合成方法主要有微机械剥离法、外延生长法、气相沉积法以及还原氧化石墨法。还原氧化石墨法是使工业化生产石墨烯成为可能。此方法是将石墨分散在强酸溶液中，加入强氧化剂如高锰酸钾等氧化生成氧化石墨。氧化石墨为准二维层状空间结构，层内以强共价键结合，层间含有大量的含氧官能团并以弱的氢键相连接。石墨是一种憎水性较强的物质，与其相比，氧化石墨中存在有大量含氧活性化学基团，使氧化石墨具有较强的亲水性，容易在极性溶剂中分散形成稳定的溶胶。另外，石墨被强氧化剂氧化成亲水性的氧化石墨后，其层间距增加，由氧化前的0.335nm增大到氧化后的0.7～1.2nm。施加一定的外力，能将氧化石墨烯从氧化石墨的范德华力束缚中解离出来形成氧化石墨烯片。将生成的氧化石墨热解膨胀或溶液中超声分散方法，制备出稳定的准二维氧化石墨悬浮液，再加入还原剂如硼氢化钠还原形成石墨烯，通过过滤或离心的方法进行分离水以及无机盐，得到石墨烯产品。但由于原料中石墨的尺寸大小、所含层数的不同，导致石墨烯产品中包含了面积各不相同，层数各不相同石墨烯材料。因此还原氧化石墨法得到的石墨烯实际上是一种多分散性的石墨烯材料。

石墨烯的性能与其结构参数是密切相关的，多分散性的石墨烯一旦被制备进了器件中，将会导致不可控性或者不良后果。因此分离方法是提高石墨烯产品质量的关键技术之一。

石墨烯通常只能通过过滤以及离心的方法将石墨烯从液体中分离出来。过滤法只能用于石墨烯的提纯，无法进行分级。而且即使采用真空抽滤进行提纯也要耗费大量时间，生产效率低下。离心法利用石墨烯的面积越大或者厚度越大，离心过程中石墨烯的粒子的沉降速度也越大的特点，能够实现提纯石墨烯的同时进行分级。离心分离后，面积大及厚的石墨烯处于介质的下层，面积小及薄的石墨烯处于介质的上层，理论上达到分离的目的。但在实际操作过程中，事实上也只能够将那些发生沉淀的，即面积大及厚的石墨烯分离出来，并不能进行对沉淀物及漂浮在液体中的石墨烯进行进一步分级。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种通过离心使不同大小的石墨烯发生层析，并利用偏硼酸盐结晶进行固化，同时去除石墨烯制备过程的杂质得到高纯度、分级石墨烯的方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种提纯分级石墨烯的方法，包括以下步骤：

步骤A：取结晶介质置于长圆筒形烧杯中，加水后加热至70～100℃使结晶介质完全溶解，再加入石墨烯材料，搅拌混合30分钟使石墨烯材料与结晶介质的溶液充分混合，其中石墨烯材料、结晶介质与水的质量比为1：10～20：5～15；将长圆筒形烧杯置于离心分离器中，转速5000rpm、70～100℃下离心分离30分钟后取出，速冷至25℃，部分结晶介质迅速结晶，形成石墨烯与结晶介质的混合物（固体），其余结晶介质形成饱和溶液和石墨烯构成的悬浊液（液体）；

步骤B：将步骤A中制备得到的饱和溶液和石墨烯构成的悬浊液倒入一个烧杯中，将容器置于冷冻室内冷冻，冷却速度为1℃/小时，在冷冻的固化过程中，悬浊液中的结晶介质率先结晶，然后发生水结晶，随着固化进行，石墨烯不断在结晶面聚集上浮，当悬浊液质量的一半完成固化（结晶）时，滤去结晶体，倒入另一烧杯用水稀释，搅拌混合均匀后再冷冻，重复以上步骤至少3次后，真空加热至100℃将水蒸发后，即制得到高纯度、单层小面积石墨烯材料；

步骤C：将步骤A中制备得到的石墨烯与结晶介质的混合物取出，以石墨烯与结晶介质的混合物在长圆筒形烧杯中的杯底位置为起点，依次沿石墨烯与结晶介质的混合物向上每隔2厘米截取试样，再分别加水溶解后得到不同级别的石墨烯悬浊液；将得到的石墨烯悬浊液按步骤B进行提纯，即得到不同级别的高纯度石墨烯材料。

作为进一步的改进，所述结晶介质为含结晶水的硼酸、偏硼酸钠或偏硼酸钾。

作为进一步的改进，在步骤A中的速冷至25℃时，冷却速度为10℃/分钟。