[发明专利]石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学与工程领域，尤其涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的以六元环为基本单元的单原子层材料。石墨烯既可以堆积成为3D石墨，也可以卷曲成为1D碳纳米管，甚至可以包裹成0D富勒烯。在二维平面上，sp²杂化的碳原子通过强的σ键与相邻的三个碳原子连接，剩余的P电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围的原子形成大π键，使石墨烯具有良好的导电性。石墨烯不仅蕴含了丰富而新奇的物理现象，具有重要的理论研究价值，而且其独特的结构和优异的性能有可能使它在多个领域获得重大的实际应用，为未来的经济、社会发展提供新的有力增长点。石墨烯的理论比表面积可达2630m²g^-1。石墨烯的强度可达130GPa，是钢的100多倍。石墨烯的热导率是金刚石的3倍，大约是5×103Wm^-1K^-1。石墨烯的载流子迁移率高达2.5×105cm²V^-1s^-1，是商业硅片迁移率的100倍。石墨烯的这些优异特性使其在光电子器件、化学电源(如太阳能电池、锂离子电池)、气体传感器、催化剂和药物载体、抗静电和散热材料等领域有巨大的潜在应用前景。因此，对石墨烯制备中的相关科学技术问题进行广泛而深入的研究，探索其在上述领域的应用，具有重大的科学意义和广阔的应用价值，也是目前石墨烯研究领域的研究热点之一。

目前，石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、外延晶体生长、化学气相沉积法、氧化石墨还原法等。其中，机械剥离法可以制备微米大小的石墨烯，但是其可控性较低，难以实现大规模合成；SiC外延生长的石墨烯，虽然可通过光刻过程直接做成电子器件，但由于SiC晶体表面在高温加热过程中表面容易发生重构，导致表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均一的石墨烯；化学气相沉积法被认为是制备大面积石墨烯的好方法，但现阶段工艺的不成熟以及较高的成本限制了其大规模的应用；氧化石墨还原法通常是用浓硫酸、硝酸钠和高锰酸钾氧化片状石墨得到氧化石墨，再用超声剥离得到氧化石墨烯后用高温热裂解的方法来还原氧化石墨烯。化学剥离法虽可以大量制备石墨烯，但其剧烈的氧化还原过程会破坏石墨烯平面的碳骨架，产生缺陷，导致所得的石墨烯质量下降，虽然能有很高的产量但是复杂的工艺和质量问题严重制约着石墨烯的推广应用。而电化学法制备石墨烯近年来已引起充分的关注，该方法在制备过程中无需使用高锰酸钾等强氧化剂，可避免强氧化剂对石墨烯结构和性能的破坏；无需使用碱金属(K、Na)等易燃易爆物危险物，不引入有毒有害物质，环境友好；制备条件可控；成本低，适用于大规模生产。

但是，传统的电化学方法制备的石墨烯片层较厚，不能很好的满足实际应用的需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够制备得到片层较薄的石墨烯的石墨烯的制备方法。

一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

将石墨棒浸泡在无机盐溶液中直到所述石墨棒被充分浸润；

以充分浸润的所述石墨棒为阳极，以金属电极为阴极，以所述无机盐溶液作为电解液，组装成电解池体系，在所述阴极与所述阳极之间施加恒定电压进行电化学剥离；

在电化学剥离完成后取出所述阳极和所述阴极，保留所述电解液并且对所述电解液进行超声处理；以及

将超声处理过的所述电解液离心后保留上层液体，所述上层液体即为石墨烯的水溶液，将所述石墨烯的水溶液过滤后保留滤渣，对所述滤渣进行洗涤和干燥，得到石墨烯。

在一个实施例中，所述石墨棒的材料为颗粒大小为0.01mm～5mm的光谱纯的石墨。

在一个实施例中，所述无机盐溶液选自锡酸钠溶液和锡酸钾溶液中的一种。

在一个实施例中，所述无机盐溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L。

在一个实施例中，将石墨棒浸泡在所述无机盐溶液中直到所述石墨棒被充分浸润的操作中，所述石墨棒浸泡在所述无机盐溶液中的时间为1h～2h。

在一个实施例中，所述金属电极的材料选自铂、金、银、铜、钛和镍中的一种。

在一个实施例中，在所述阴极与所述阳极之间施加恒定电压进行电化学剥离的操作中，所述恒定电压的范围为1V～10V。

在一个实施例中，在所述阴极与所述阳极之间施加恒定电压进行电化学剥离的操作中，所述电化学剥离的时间为30min～240min。