[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料制备技术领域，特别涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯由英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆（Andre K. Geim）等人在2004年首次制备，其独特的性质使其在越来越多的行业中得到广泛的应用。例如，石墨烯的抗拉强度高达125 GPa、弹性模量达到1.1 TPa、理论比表面积可达2630 m²/g、室温热导率约为5000 W/mK等，使其具备了作为导热材料应用的前景；而且，单层石墨烯高度透明，仅吸收2.3%的可见光，在光学照明领域也具备应用的条件。因此，在导热性要求比较高的LED照明领域，石墨烯逐渐应用作为性能优异的散热材料。

但是，石墨烯的制造成本居高不下直接限制了其在LED照明领域的普遍使用，造成LED照明的 成本压力过大。目前生产石墨烯的方法主要有微机械分离法、化学气相沉积法、液相剥离法、SiC外延生长法、氧化还原法这几种，微机械分离法是制备石墨烯最为简单直接的方法，且制备成本低，样品质量高，获得的石墨烯尺寸可达100 μｍ，但此法产量低且不可控，不能满足工业化和规模化生产要求，而且从大片的厚层中寻找单层石墨烯比较困难，同时样品中还存在少许胶渍，表面清洁度不高，限制了其应用领域；化学气相沉积法可以制备出高质量、大面积的石墨烯，但常用的基片材料单晶镍的价格昂贵，且生产工艺复杂，制造成本下降难度大；液相剥离法需要用到有毒和高腐蚀性的溶剂，不符合安全生长和环保要求；SiC外延生长法可获得单层（或多层）、大面积的石墨烯，但是制备条件苛刻，需要高温和超高真空，且SiC材料昂贵，无法规模化生产；氧化石墨烯还原法使石墨烯的电子结构及晶体的完整性受到强氧化剂作用产生严重的破坏，使其晶体缺陷较多从而影响使用性能。因此，为推动石墨烯材料在LED照明领域的普及应用，需要寻找一种材料成本低廉、制造工艺简单、便于规模化生产的高纯度石墨烯制备方法。

发明内容

本发明目的在于克服目前石墨烯制备方法在规模化制造上的问题，提供一种材料成本低廉、制造工艺简单、便于规模化生产的高纯度石墨烯制备方法。

本发明的内容为：

一种石墨烯的制备方法，以天然石墨作为原料，以羧化剂作为插层试剂，包括以下过程：

第一步、原材料预处理：先分别将石墨、羧化剂研磨、过筛，得到平均粒径为200～500 μm的石墨粉末和平均粒径为50～300 μm羧化剂粉末。球磨可以细化颗粒使原料表面积更大，增大反应接触面；过筛可以使原料的颗粒均匀一致，保证混合效果。

第二步、羧化石墨烯制备：按照重量配比1︰1～1︰2称取石墨粉末和羧化剂粉末，转移至球磨罐中，加入去离子水作为混合溶剂，加入磨球，设置双行星式球磨机转速为300～1000 rpm，球磨12～36 h，得到羧化石墨烯混浊液。球磨的过程中，磨球的剪切力不断使石墨减薄和剥离产生石墨烯，磨球之间相互摩擦产生能量从而使石墨烯的表面处于高温条件，加之在空气中存在氧气，石墨烯发生高温氧化变化为氧化石墨烯，氧化石墨烯在酸性高温环境下被羧化剂修饰，最终变为羧化石墨烯，羧化剂的不断嵌入产生插层效果，会进一步加速石墨烯层间的剥离，最终石墨全部转变为羧化石墨烯。 

第三步、羧化石墨烯粗产品提纯：将第二步所制备的羧化石墨烯混浊液依次进行离心，取上清液过滤，用去离子水洗涤滤得的固体至中性，然后把所得的固体置于真空干燥箱中以80～100℃的温度干燥2～5 h、研磨至粉末状，得到羧化石墨烯粗产品。

第四步、羧化石墨烯微波快速加热脱羧剥离：把第三步所得的羧化石墨烯粗产品放入微波容器中，微波加热5～10min，即可制备得到高纯度石墨烯产品。加热条件下，处于羧化石墨烯边缘的羧基被高温分解去除，羧化石墨烯在脱羧的过程中，层间距离进一步扩大，最终减薄和剥离形成石墨烯。

优选地，所述的微波加热功率为500～1000 W。微波功率设置过低，反应不彻底，耗时长；微波功率设置过高，会造成能耗增高，浪费能源，所以微波加热功率设置为500～1000 W既可以保证反应效果又实现了低能耗生产。

优选地，所述的石墨为膨胀石墨、可膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨和/或鳞片石墨中的一种或一种以上的混合物。膨胀石墨、可膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨和鳞片石墨来源十分丰富，无需额外处理和加工，原料成本低廉。