[发明专利]石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，具体是涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化方式键合形成的具有六方点阵蜂窝状结构的纳米碳材 料，属于一种新型的二维晶体材料。石墨烯具有良好的导电性、导热性、机械性能、透光性 和电子学特性，在能量存储、光电子器件和复合材料领域具有广泛的应用前景。因此，石墨 烯目前已经成为材料学、物理学和化学等多个学科领域的研究热点。在产业化方面，由于各 种制备技术的发展，石墨烯产品的开发近年来也取得了显著地进展。

目前，石墨烯的制备方法有：机械剥离法，化学气相沉积法和氧化-还原法。机械剥离法 和化学气相沉积法制备石墨烯的产量很低，并且化学气相沉积法的工艺复杂，需要专门去除 催化剂，能源消耗大，生产成本过高，不适应大规模生产的要求。氧化-还原法主要是利用氢 氧化剂对天然鳞片石墨进行氧化后得到氧化石墨，然后超声剥离得到氧化石墨烯，再经还原 后制得石墨烯材料。然而所得到的氧化石墨烯是一种二维薄片状结构，在水中分散性好，采 用普通的抽滤、离心分离等方法难以将氧化石墨烯从其水溶液中分离出来；并且经常采用强 还原剂(水合肼，高毒类)或高温(高能耗)对氧化石墨烯进行还原处理，很难符合绿色制 备的标准。特别是对大规模工业制备与处理，这些方法成本高、效率低、不宜推广应用。因 此，探索一种简单实用、经济高效、绿色环保的还原氧化石墨的方法，对解决石墨烯的大规 模制备，实现石墨烯的广泛应用具有十分重要的价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有石墨烯制备方法的不足，提供一种由氧化石墨制备多层石墨 烯的新方法。该方法具有工艺简单、操作方便、生产成本低、适于大规模生产等优点。

本发明目的的实现方式为，一种大规模制备多层石墨烯的方法，具体步骤如下：

1.氧化石墨：氧化石墨的制备采用两次氧化完成。

1.1一次氧化：以天然鳞片石墨为原料，利用氧化剂预氧化，氧化4～8小时后，利用去离 子水洗涤抽滤至中性，常温干燥，一次氧化采用的氧化剂为浓硫酸，过硫酸铵和五氧化二磷 的组合物；

1.2二次氧化：取一次氧化后的原料，重新分散到浓硫酸中，同时利用高锰酸钾作为联 合氧化剂对一次氧化后的原料进行氧化，反应2小时加入去离子水稀释，稀释过程中体系温 度控制在50摄氏度以下，随后加入30％的过氧化氢完成二次氧化。

2.将氧化后的产物，首先利用稀盐酸进行清洗，除去产物中的剩余的金属离子和硫酸根 离子等，然后利用低沸点极性有机溶剂清洗至中性，并重新分散到低沸点极性有机溶剂中， 制得悬浊液，低沸点极性有机溶剂包括：丙酮、甲醇、乙醇等。

3.固液分离：将步骤2制得的悬浊液，采用离心分离的方法，将混合溶液进行固液分离， 分别收集溶剂和氧化石墨。

4.制备多层石墨烯：将湿态的利用有机溶剂清洗至中性的氧化石墨，在温度为80～150 摄氏度下干燥60～300分钟，即可得到多层石墨烯。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

(1)本发明制备出的多层石墨烯比表面积在190～350m²/g之间，平均孔径在3.8nm 左右，孔容在0.6～1.5cm²/g之间；

(2)本发明方法无需高温处理，生产能耗低；

(3)本发明方法无需催化剂，无需强还原剂，对生产过程中的溶剂还能回收再利用， 既能降低成本，又有利于环保；

(4)本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低成本，便于推广应用， 适于规模生产。

采用本发明方法制备出的多层石墨烯可以作为电池、超级电容器的电极材料，也可 用作锂离子电池、碱性电池、氢镍电池的导电剂。

附图说明

图1利用丙酮作为溶剂制备的多层石墨烯的扫描电镜照片

图2利用丙酮作为溶剂制备的多层石墨烯的透射电镜照片

图3利用丙酮作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性

图4利用甲醇作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性

图5利用乙醇(110摄氏度)作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性

图6利用乙醇(120摄氏度)作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性