[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种基于絮凝‑解絮凝实现氧化石墨的快速、高效分离，再通过还原反应制备石墨烯的方法。该方法包括三个步骤：①石墨的氧化反应，得到含有氧化石墨、无机盐和酸的混合液；②氧化石墨的絮凝和解絮凝，得到均匀分散的氧化石墨分散液；③还原反应，得到可良好分散的石墨烯。在本发明中，受控絮凝剂实现氧化石墨的分离，调控剂实现氧化石墨的解絮凝和均匀分散，而在还原时氧化石墨的受控絮凝剂对石墨烯有稳定效果；三步环环相扣，一次性解决了的氧化石墨难分离和石墨烯难分散的两大问题，可实现高效、规模化制备高分散的石墨烯。

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种高效制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，由于具有优良的电学、热学、光学和机械性能，有望在电池材料、储能材料、电子器件、复合材料等领域得到广泛的应用。其中，石墨烯的规模化制备、低成本化和分散是其广泛应用的关键技术所在。

目前，石墨烯制备方法主要有微机械剥离法，晶体外延生长法，化学气相沉积法和氧化还原法等。前三种方法因操作复杂、条件苛刻、产率低和成本高等限制了其规模制备和在各领域的应用；而氧化还原法以廉价易得的石墨为原料，可批量生产和易化学修饰，被认为是石墨烯规模化制备和易于实际应用的主流方法。氧化还原法主要是通过强氧化剂在液相中对鳞片石墨进行氧化后制备得到氧化石墨/氧化石墨烯(即氧化阶段)，之后经过还原得到石墨烯(即还原阶段)。其中，快速的化学氧化反应和高效的分离是氧化阶段关键，而高效的还原反应和表面处理是还原阶段的关键。

对于氧化阶段，制备氧化石墨/氧化石墨烯的化学氧化反应(如经典的Hummers法)使用了包括浓硫酸等强酸、高锰酸钾等强氧化剂为原料。化学氧化反应完成后的液体中除了目标产物外，还含有大量的无机盐等副产物和未反应的残酸。由于氧化石墨带有“羟基”、“环氧”、“羰基”、“羧酸”等多种含氧基团，具有很好的亲水性，其在水中分散性和成膜性都很好。采用普通的过滤、抽滤、离心等难以将氧化石墨/氧化石墨烯分离、纯化，在进行规模化制备时效率低下、耗时长、成本也较高。因此，氧化石墨/氧化石墨烯的高效、规模化分离是石墨烯大规模工业化应用过程中有待解决的问题。

对于还原阶段，现有还原技术主要是以固相在高温下进行热还原和在液相中通过还原剂进行还原得到石墨烯。美国专利US 7658901采用了1050℃的高温对氧化石墨固体粉末进行了热还原制备得到石墨烯；Ruoff等以水合肼为还原剂将氧化石墨在水分散液中进行液相还原制备得到石墨烯(Ruoff,et al.Carbon,2007,45,1558)。高温热还原过程中有利于石墨烯分散的有机官能团或分子已被去除，所得的石墨烯易团聚，在溶剂中分散性差。还原剂液相还原所得的石墨烯由于片层倾向与重新回叠而导致团聚，在溶剂中分散性也差。因此，石墨烯的分散性也是大规模应用过程中有待解决的问题。固相的高温热还原未见解决分散性问题，而液相中还原的方法可通过在还原反应过程加入表面处理剂，可得到在溶剂中能分散良好的石墨烯。Stankovich等以水合肼为还原剂、添加聚苯乙烯磺酸钠为表面处理剂，得到的石墨烯能稳定分散于水中(Stankovich,et al.Journal of MaterialChemistry,2006,16,155)。