[发明专利]一种石墨烯材料的尺寸分级方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯材料技术领域，具体涉及一种石墨烯材料的尺寸分级方法。

背景技术

石墨烯，即单层石墨，是由sp²杂化碳原子相互连接形成单分子层厚二维蜂窝状结构的新型碳材料。石墨烯特有的电、光、机械、热性能，使其在电子学、结构材料、储能材料、传感材料、催化材料和复合材料等方面具有巨大的应用前景。在调控石墨烯性能和应用的过程中，石墨烯片的尺寸起关键作用。大尺寸石墨烯片在三维网状结构、二维有序堆叠层状结构和光电器件的制备过程中广泛应用；而在生物传感、药物缓释等对生物相容性要求较高的领域中，分子级石墨烯由于其高官能化表面受到广泛青睐。因此，尺寸可控制备对石墨烯的应用具有十分重要的意义。目前，大规模制备石墨烯的方法中最为广泛使用的是还原氧化石墨烯，利用强酸插层、强氧化剂氧化石墨，在石墨片层引入大量含氧亲水功能团，经过剥离，得到可分散于水溶液的单层氧化石墨烯。但经过氧化、超声以及后续水解后，氧化石墨烯片发生解离形成多尺寸分布。温和制备还原的氧化石墨烯可实现一定程度的尺寸调控，但效果并不显著，且可控性不强。因此，有效、宏量制备尺寸可控的氧化石墨烯仍需要进一步探索。

在后合成手段调控石墨烯尺寸的方法中，有人采用化学法分离，利用氧化石墨烯的Zeta电位与尺寸分布的相关性，通过加入外源试剂进行分离，包括调控pH(J.Am.Chem.Soc.2011,133,6338)和利用有机溶剂(RSC Adv 2015,5,146)等。这种方法的问题是引入了杂质，后续还需要进行杂质去除的工作，耗时且不经济。更重要的是加入的新物质可能会对氧化石墨烯结构有影响，因此化学法分离并不可取。

物理法主要是离心相关方法，比如密度梯度超速率离心方法(ACS Nano 2010,4,3381.)分离不同尺寸的石墨烯片。但是，超高的离心速率，较小的制备批量、特殊的梯度分离介质限制了尺寸可控氧化石墨烯的大规模生产。普通的离心方法也可以进行尺寸分级，但由于其分离效果与氧化石墨烯的官能度、水溶液浓度、转速、时间相关，很难建立直接的尺寸分布与实验条件的联系，并且离心能耗高，不宜与制备方法集成化。因此，简易、广泛调控氧化石墨烯片层的尺寸手段仍亟待解决。

理论上最简单的分离方法是对氧化石墨烯进行基于尺寸排除的膜分离，因为该技术相对能耗低，可大规模生产且可以与制备环节集成化。但到目前为止，还没有关于利用多孔膜对氧化石墨烯片进行尺寸分离的文献报道或专利。原因或问题主要有如下两点：1、普通的过滤膜孔结构交织、孔道较长、且孔径分布不够均一，会导致氧化石墨烯残留在孔道中并堵塞孔道，无法分离大小片氧化石墨烯；2、即使选择了合适的膜材料避免了上述问题，氧化石墨烯由于其本身的二维片层性质，也容易在膜表面进行堆叠，导致从膜的表面堵塞住孔道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯材料的尺寸分级方法。

本发明所提供的石墨烯材料的尺寸分级方法，包括如下步骤：

1)将石墨烯材料分散在溶剂中，得到石墨烯材料分散液；

2)在施加外力的条件下，将所述石墨烯材料分散液通过多孔膜，得到过滤液(小于多孔膜孔径)和截留液(大于多孔膜孔径)，即可分离得到不同尺寸范围的石墨烯材料。

上述制备方法中，步骤1)中，所述石墨烯材料具体可为氧化石墨烯，所述氧化石墨烯具体可通过Hummers方法制备得到。

当然，其他石墨烯材料(如：石墨烯等)和非石墨烯材料的二维薄层材料或颗粒材料也可通过上述尺寸分级方法达到尺寸分级的目的。

所述溶剂可为水、乙醇、乙二醇、四氢呋喃、异丙醇、N，N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中任一种，具体可为水。

所述石墨烯材料分散液中石墨烯材料的浓度为0.001mg/mL-100.0mg/mL，具体可为0.1mg/mL-1.0mg/mL，优选为0.2mg/mL。

上述制备方法中，步骤1)中，为了得到稳定的石墨烯材料分散液，还包括对所述石墨烯材料超声剥离的步骤。

上述制备方法中，步骤1)中，还包括对所述石墨烯材料分散液进行透析的步骤，以除去可能残留的金属离子和无机酸等杂质。

上述制备方法中，步骤2)中，所述外力具体可为扰动(如：搅拌)和/或错流过滤等。

所述多孔膜的材质选自无机膜或高分子膜。

所述多孔膜的形状为平板膜、管式膜、卷式膜和中空纤维膜的形状中的任意一种。