[发明专利]一种层数可控的大尺寸、高质量石墨烯制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，涉及一种层数可控的大尺寸、高质量石墨烯制备方法，具体为一种以氧化剂和酸溶液为插层剂，得到不同层阶数的石墨层间化合物，然后加入草酸或双氧水等化学试剂，使之与层间物质发生剧烈反应释放出气体，撑开石墨烯片层，经过机械处理后，实现石墨剥离，得到层数可控的高质量石墨烯的方法。

背景技术

2004年，英国Manchester大学的Geim小组首次用“微机械力分裂法”获得了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯，这一发现震撼了科学界，从此石墨烯成为材料学和物理学领域的一个研究热点。石墨烯是碳原子以sp²杂化紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格的碳质材料，是世界上最薄的二维材料，具有高导电性、高比表面积、高强度及高电子迁移率等优异的性能，在纳米电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域具有广阔的应用前景。

由于石墨烯的性能与其层数有着密切关系，单层和双层石墨烯是零带隙半导体，只有电子和空穴两种类型的载流子，而3-10层的石墨烯具有多种载流子类型，且其价带和导带出现明显的重叠，这将决定其具有不同的性能，从而决定其应用领域。因此，为了实现石墨烯的商业应用，低成本、高产率制备层数可控的高质量石墨烯是许多研究工作所面临的一个关键性挑战。

目前，制备石墨烯的方法主要有五种。（1）机械剥离法，即利用胶带粘贴石墨后再转移到硅片上。此法制备得到的石墨烯结构较为完整，成本低，但产率低，不适宜大规模生产。（2）化学气相沉积法（CVD）。此法制备的石墨烯具有较完整的晶体结构，但成本较高，制备工艺要求苛刻，难以实现规模化。（3）外延生长法。此法得到的石墨烯膜最均匀，且能大面积生长，但石墨烯薄片不易与SiC分离，成本较高，同样不适合大规模生产。（4）化学合成法。此法可以精确控制石墨烯的片层结构，但合成的路线复杂，产量极低，仍然不适宜宏量制备。（5）氧化还原法。该法是现阶段大量制备石墨烯的方法。但此法得到的石墨烯结构易被破坏，常常有缺陷，影响石墨烯的导电性能，且在还原过程中会造成环境污染，同样限制了该法大规模的工业化应用。中国专利《一种层数可控的高质量石墨烯的制备方法》（CN101993061A）通过调控石墨的氧化程度和解离程度，实现石墨烯的层数控制。但该法中采用氢气和氩气的混合气体在300-1000 ℃下还原氧化石墨，存在还原时间长，对设备要求高，反应危险和成本高等问题。中国专利《一种快速制备大量层数可控的高质量石墨烯》（CN103342358A）采用Hummers法，通过调控不同的离心速度和时间来得到不同氧化程度的氧化石墨，再经过真空微波还原，得到蓬松絮状的相应层数的石墨烯。该法操作简单，环保，但得到的石墨烯缺陷较大，导电性大幅度降低。因此，开发一种大规模、低成本且简单易控，大量制备层数可控的高质量石墨烯的方法势在必行。

发明内容

本发明的目的在于开发一种低成本、高产量的层数可控的高质量石墨烯制备方法。该方法具有操作流程简单，安全，制得的石墨烯质量高，可控性好等优点，适合大规模生产，具有广泛的工业应用前景。

本发明提出的层数可控的高质量石墨烯制备方法，具体步骤如下：

(1)将石墨粉或鳞片石墨加到插层剂中，在10-130 ℃下搅拌反应5 min-48 h，用水和丙酮重复冲洗过滤，在50-100 ℃下烘干2-24 h，得到不同阶数的石墨层间化合物（GICs）；其中石墨原料的尺寸为10 μm-500 μm，石墨与插层剂的摩尔比为1:0.05-12，

(2)将步骤(1)所得不同阶数的GICs分别投入膨胀剂中，添加或不添加辅助剂，在20-100 ℃下浸泡5 h-7 d，使层间物质充分与膨胀剂或辅助剂反应释放出气体，得到高度膨胀的蠕虫状石墨烯聚集体，从而扩大石墨烯片层之间的层间距离；

(3)经步骤(2)所得石墨烯聚集体在适当处理剂中经超声、剪切或球磨法中的任一种方式处理后，实现剥离，再重复离心得到不同层数的高质量的石墨烯分散液；其中：

所述的超声功率为50-1600 W，超声时间为5 min-2 h；

所述的剪切转速为10-28000 rpm，剪切时间为10 min-5 h；

所述的球磨转速为200-1600 rpm，球磨时间为1 h-6 h；

所述的离心转速为500-12000 rpm，离心时间为5 min-1 h。