[发明专利]一种少层石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状碳材料的制备方法，特别涉及一种少层石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯因具有独特的二维结构，优异的导电性能，较高的机械性能及较高的比表面积，近年来在多种领域都得到极大的关注。

最早，石墨烯片是采用微机械剥离法来获得，但是产率较低，且过程较难控制(Novoselov KS et al.Electric field effect in atomically thin carbon films.Science,2004,306:666)。化学气相沉积及外延生长法也可用于制备较大尺寸的石墨烯片，但同样存在产率低和成本高的问题(Obraztsov A N et al.,Chemical vapour deposition:making graphene on a large scale.Nature Nanotechnology,2009,4:212)。通过鳞片石墨的氧化和剥离很容易获得大量分散性良好的氧化石墨烯溶液(Hummers WS et al.,Preparation of graphitic oxide.J.Am.Chem.Soc.,1958,80:1339)，因此，氧化石墨烯的还原被认为是一种低成本、高产率的适用于大规模生产石墨烯的方法。但是在液相反应体系中，由于较强的范德华力，使得氧化石墨烯在还原的过程中自发团聚和堆砌(Park S et al.Hydrazine-reduction of graphite-and graphene oxide.Carbon,2011,49:3019)，从而降低了石墨烯的比表面积(一般低于200m²/g)，严重影响其各项性能。

采用氧化石墨为原料，通过剥离和改性生成氧化石墨烯，并在表面原位合成二氧化硅后，还原氧化石墨烯，腐蚀二氧化硅制备少层石墨烯的技术，在相关文献中还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种高效率、低成本的制备少层石墨烯粉体的方法，本发明方法适于规模化生产石墨烯粉体。

本发明一种少层石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

步骤一氧化石墨的剥离与改性

以氧化石墨浓度为0.01～10mg/ml的液体为原料，往其中加入表面改性剂，搅拌并超声分散，得到改性氧化石墨烯分散液，所述氧化石墨的碳氧比为1：0.1-1：1；

步骤二二氧化硅的原位生长

用pH调节剂调节步骤一所得改性氧化石墨烯分散液的pH值至8～13后，加入硅酸酯或硅酸酯溶液，在35℃～60℃搅拌反应后，固液分离，对固体物进行洗涤后干燥，得到二氧化硅/氧化石墨烯粉末；在实际操作过程中，加入硅酸酯或含硅酸酯溶液采用滴加的方式加入，滴加时，辅以搅拌，以保证加入的硅酸酯均匀分散；

步骤三高温热处理

将步骤二中所得二氧化硅/氧化石墨烯粉末，在真空中或保护气氛下，加热至500-900℃，保温至少0.5小时，得到二氧化硅/石墨烯粉末；优选加热至500-900℃，保温0.5～4h；更优选加热至700-900℃，保温1～3h；

步骤四去除二氧化硅

将步骤三中所得二氧化硅/石墨烯粉末置于氢氟酸或强碱溶液中，搅拌，脱除二氧化硅/石墨烯粉末中的二氧化硅后，固液分离，对固体物进行洗涤后干燥，得到少层石墨烯。

本发明一种少层石墨烯的制备方法，步骤一中，所述原料是将氧化石墨加入到有机或无机溶剂中，搅拌并超声分散，配成的氧化石墨烯浓度为0.01～10mg/ml的液体；所述有机溶剂选自乙醇、丙醇、丙酮中的至少一种；所述无机溶剂为水。

本发明一种少层石墨烯的制备方法，步骤一中，将表面活性剂加入原料中，超声分散0.5～2h后，得到改性氧化石墨烯分散液；超声时，控制超声波的功率为100～200W、频率为40～80kHz，得到的改性氧化石墨烯层数小于或等于5。

本发明一种少层石墨烯的制备方法，步骤一中，所述表面改性剂选自十二烷基苯磺酸钠、硅烷偶联剂、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙二醇、聚乙烯醇中的至少一种，优选为十六烷基三甲基溴化铵；氧化石墨与表面改性剂的质量比为1：10-1：5000，优选为1：20-1：1000，进一步优选为1：20-1：100。

本发明一种少层石墨烯的制备方法，步骤二中所述pH调节剂选自NaOH、KOH、Na₂CO₃、NaHCO₃、NH₄OH中的一种。