[发明专利]制备石墨烯纳米片的方法、石墨烯纳米片、石墨烯纳米片浆料和包括石墨烯纳米片的导电层

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求于2013年10月22日向韩国知识产权局提出的韩国专利申请第10-2013-0125887号的优先权，其全部内容引入本文以供参考。 

技术领域

本公开涉及制备石墨烯纳米片(nanoplate)的方法、根据该方法制得的石墨烯纳米片、以及石墨烯纳米片浆料和包含石墨烯纳米片浆料的导电层。 

背景技术

由石墨制备的石墨烯可根据石墨的厚度分为两类。也就是，具有少于约10层石墨烯层的还原的氧化石墨烯(RGO)和具有数nm到约100nm厚度的石墨烯纳米片(GNP)。RGO可通过对石墨进行氧化处理而制得的氧化石墨烯(或氧化石墨，GO)的化学或热还原而制备，石墨烯纳米片可通过物理化学剥离石墨制得。特别地，使用包含在石墨层间包括化学物质的插层碳化合物(ICC)制备石墨烯纳米片，并且，当ICC被微波处理或热处理时，插入石墨层间的化学物质作为气相排出而使石墨层间的空间膨胀，从而产生膨胀石墨(EG)，并且石墨烯纳米片可通过破碎(剥离、研磨、或者剥离和研磨)膨胀石墨而制备。 

制备石墨烯纳米片的传统方法可分为液体超声研磨法、使用流变剪应力的研磨法、固相-固相或液体机械研磨法(例如球磨、研磨及类似方法)、以及类似的基于破碎膨胀石墨的方法。另外，石墨烯纳米片可用同样的方法制备但却基于工艺条件，也就是微波处理条件(例如强度／气氛／处理时间／处理环境及类似条件)、热处理条件(例如温度／气氛：真空炉、加热速度、处理时间／处理方法及类似条件)以及类似 条件，而具有不同的性质。 

在液相超声研磨法中，当由超声产生的微腔重复地收缩和膨胀然后爆炸时，膨胀石墨受到由此产生的强烈冲击而破碎，制得石墨烯纳米片。这一方法在实验室环境下制备石墨烯纳米片具有优势，并且通过添加分散剂制得相当低浓度的石墨烯纳米片分散液。然而，该方法在液体中实施并对溶剂有限制，因此在所需溶剂中基于研磨和分散条件而调整，此外，需要再次将溶剂蒸发以从溶液中得到粉末。 

使用流变剪应力的研磨法是一种利用高压(例如，数千巴)使液体承载的膨胀石墨进入一个小空间内以研磨膨胀石墨的方法，并且其与液相超声研磨法具有相似的优点和缺点。固相-固相或液相机械研磨法通过将膨胀石墨与小球混合(其中，可能需要部分加入溶剂)并球磨膨胀石墨来实施，并且，膨胀石墨通过小球碰撞时在界面产生的能量而磨碎。然而，得到的石墨烯纳米片互相接触并粘在一起。因此，在本发明中，使用ICC原材料制备膨胀石墨可得到纯净的石墨烯纳米片，并且是弥补传统方法的问题的新方法。 

另外，在本发明中，石墨烯纳米片的工业应用(例如，复合浆料)可以通过使石墨烯纳米片与不同种类材料结合而扩展。不同种类材料之间的结合是重要的，而且可以通过材料之间的协同效应超越传统材料的限制而改进性质。不同种类的混合物可被用在高强度复合材料以及燃料电池中。作为代表性的技术，石墨烯纳米线(例如，半导体)混杂结构，其中光能在石墨烯导电部分被吸收并能产生电子空穴；制备包括石墨烯片／碳纳米管／聚合物纳米颗粒的混杂复合物的方法；制备锂充电电池的正极材料石墨烯的方法，即通过添加Fe前体和磷酸盐(PO₄)前体得到的混杂材料；通过在空气中煅烧石墨烯和金属氧化物颗粒以制备具有改进的充电放电比的石墨烯复合烧结体的方法；通过在高温高压下混合纳米TiO₂粉末和石墨烯并使其反应以制备石墨烯-二氧化钛(TiO₂)混杂材料的方法；以及类似方法。本发明涉及用新方法制备质量好的石墨烯纳米片的方法及其应用(例如，浆料和导电层)。 

发明内容

本发明的一个典型的实施方式提供一种制备石墨烯纳米片的方 法，其可包括通过气相高速碰撞来剥离、研磨、或剥离并研磨膨胀石墨。本发明的另一个典型的实施方式提供通过该制备方法制得的石墨烯纳米片。本发明的再一个实施方式提供石墨烯纳米片浆料和包含石墨烯纳米片的导电涂层。 

根据本发明的一个典型的实施方式，制备石墨烯纳米片(GNP)的方法可包括制备膨胀石墨(EG)；以及通过气相高速碰撞(例如，通过气相碰撞引起EG的破裂)来剥离、研磨、或者剥离并研磨膨胀石墨。