[发明专利]电化学高效剥离制备高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，尤其是涉及一种电化学高效剥离制备高质量石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种原子石墨，由于其二维结构和独特的物理性质，比如高的内在电子迁移率（～20000cm²//v·3s）²，优异的机械强度、柔韧的弹性和良好的导电性，已经引起了广泛的关注。现有石墨烯制备方法包括机械剥离法、外延生长法、气相沉积法和氧化还原法等。但是，机械剥离法和外延生长法制备的石墨烯具有高品质性，但并不适宜大规模生产。近期用催化金属基底的化学气相沉积法的研究取得很大进展，以显示出大面积石墨烯能使容量增加，扩大了它在高度透明和灵活的导电薄膜上的应用，但制备价格昂贵，必须努力降低生产成本。通过化学或热还原的氧化化学剥离方法制备制备石墨烯，虽由于潜在的低成本和液相加工制造的优点已引起大家关注，然而，石墨烯在氧化过程中蜂窝状晶格结构受到严重破坏，得到的膜电阻从1K到70KΩ/□（<80％透光率），阻值太高，远高于ITO的要求。

发明内容

本发明是提供一种电化学高效剥离制备高质量石墨烯的方法，其主要是解决现有技术所存在的石墨烯在氧化过程中蜂窝状晶格结构受到严重破坏，得到的膜电阻从1K到70KΩ/□（<80％透光率），阻值太高，远高于ITO的要求等的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明的电化学高效剥离制备高质量石墨烯的方法，其特征在于所述的方法包括：

a．经过优化选择一种含K₂SO₄的水溶液作为电解质溶液，加入反应容器中，反应容器可以是玻璃或陶瓷器具及塑料容器；

b．用天然石墨或石墨粉末压成杆作为制作石墨烯的原料及一个正极工作电压，将钨丝用银焊连接条形天然石墨；用一根铂丝做负极放置于反应容器中；

c．加2-4V电压于石墨电极上，并且SO₄^2-缓慢地插入石墨晶界中；

d．施加高偏移电压+8至+12V，在+10V偏移电压前，天然石墨仍然为一个单片，一旦高偏移电压加上，石墨薄片开始膨胀，石墨开始氧化，紧接着加一个负的偏移电压-8至-12V于石墨电极上，被氧化石墨发生还原，如此重复，石墨迅速离解，直到分解成双层石墨烯薄片，厚度为1- 3nm，扩散到溶液中，漂浮于电解质表面上；

e．将漂浮于K₂SO₄溶液上的石墨烯被收集，通过过滤膜真空过滤，将大石墨颗粒除掉后，用水反复洗涤，除去残留酸液；

f．干燥后，最后将得到的石墨烯薄膜的粉末分散在二甲基甲酰胺溶液中，通过温和的水浴进行超声处理；

g．将悬浮液进行离心分离，离心分离悬浮溶液后，所得薄膜片，即为所要的1.5nm级的成品石墨烯薄片。

上述d步骤起着决定性的作用，d步骤施加的偏移电压＜8V时，剥离过程变得非常缓慢，效率低，当偏移电压增加到12V以上时，剥离的时间加快，但同时会产生大的石墨颗粒，厚度为3nm，因此我们选择剥离的偏移电压为8-12V时，石墨迅速被剥离成小块，在溶液表面传播，并且剥离后制备的石墨烯厚度比较均匀,并且通过调整占空比，即正电压与负电压的比值，目的是能减少石墨烯的氧化，且使还原石墨烯的时间加长，大大减少了石墨烯氧化产生的缺陷，有效的保护了石墨烯的蜂窝状晶格结构，步骤d对于高效制备高质量的石墨烯薄片起了决定性的作用。

作为优选，所述的K₂SO₄的水溶液为质量浓度98%的H₂SO₄放入去离子水，以及加入质量浓度30%的KOH溶液配置而成作为电解液，其pH值10～12。

作为优选，所述的天然石墨片的尺寸5-20mm之间或高定向型裂解石墨（HOPG）尺寸为1.5cm×1.5cm×0.3mm。

作为优选，所述的正极、负极必须平行相距50mm。

作为优选，所述的加2-4V电压于石墨电极上的时间1分钟。

作为优选，所述的步骤d施加高偏移电压+8至12 V,石墨电极上的时间为1- 5 秒，加一个负的偏移电压- 8至-12于石墨电极上的时间3- 8秒，施加高低偏移电压重复的工作时间约10分钟。

作为优选，所述的步骤f通过温和的水浴进行超声处理5分钟。

作为优选，所述的步骤g离心转数2500转/分。