[发明专利]高分散高稳定高浓度高产率的石墨烯分散液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及高分散、高稳定、高浓度、高产率的石墨烯分散液，以及以球或棒或段为介质的研磨设备制备石墨烯分散液的方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，由于两人在“二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖 ，拉开了石墨烯制备的序幕。石墨烯是继富勒烯和碳纳米管后又一重要的碳材料。石墨烯是由单层碳原子排列形成的蜂窝状六角平面二维晶体，碳原子是以sp²形式杂化。石墨烯的比表面积高达2630 m²/g，是单壁纳米碳管的两倍；常温下电子迁移率超过200000 cm²/V·s，比单晶硅都高；导热系数高达5300 W/m·K，高于金刚石；电阻率只有10^-6 Ω·cm，与银类似；单层石墨烯几乎是完全透明的，每层只吸收2.3%的光；石墨烯是目前世界上最薄，而且最强的纳米材料，它的强度可达1000 GPa，是钢的200倍。石墨烯这些优异的特性使其在气体传感器、光电子器件、化学能源（太阳能电池、锂离子电池）、催化剂、抗静电等领域具有巨大的潜在应用。

在实际的应用中，石墨烯片层容易发生聚集，影响石墨烯性能的发挥，因此通常将石墨烯分散在有机溶剂或表面活性剂水溶液中，溶剂分子或表面活性剂分子吸附在石墨烯的表面上，依靠分子间作用力或静电排斥力，实现石墨烯的单层分散。均一、稳定的石墨烯分散液在众多研究领域中具有重要的应用，但目前报道的石墨烯分散液的浓度都较低，限制了石墨烯的产业化发展。

现有的石墨烯分散液的主要方法有：直接将石墨或石墨与表面活性的混合液在超声波的水浴条件下超声分散。例如J. N. Coleman等研究者(U. Khan,  A. O'Neill, M. Lotya, S. De, J. N. Coleman, Small, 6, 864-871.)将片状的石墨分散到溶剂NMP中，利用超声波超声460 h，得到石墨烯的浓度是3.3 mg·L^-1.这种方法得到的石墨烯分散液浓度低，超声时间长，严重限制了工业生产和需求。分散还原氧化石墨烯，Dan Li等研究者（Dan Li, Marc B. Müller, Scott Gilje, Richard B. Kaner, Gordon G. Wallace. Nature Nanotechnology, 2008, 3, 101-105.）将氧化石墨烯水溶液用一定量的水合肼和氨水溶液95℃还原1h，得到浓度是0.5 mg·L^-1的石墨烯分散液，这种方法得到的石墨烯分散液浓度低且稳定性很差，不能满足工业的各种需求。此外，现有石墨烯分散液的制备主要以石墨烯为原料，将石墨烯分散在溶剂中，因此石墨烯分散液的制备成本较高，制约了石墨烯的产业化进程。此外，由于石墨烯片层的聚集作用，现有商业化的石墨烯分散液中石墨烯片层均为多层结构存在，难以获得寡层的石墨烯分散液。

发明内容

因此，针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高分散、高稳定、高浓度、高产率的寡层石墨烯分散液。所述的石墨烯分散液浓度是：1 mg/mL～100 mg/mL，其中分散剂含量0～6 % (重量)；石墨烯片的长度是100-6000 nm。

本发明的另一目的在于提出一种制备高分散、高稳定、高浓度、高产率的石墨烯分散液的方法，步骤包括：将石墨原料、分散剂及水或者各种溶剂形成混合溶液后，通过以球或棒或段为介质的研磨设备所形成的机械剪切力将团聚的石墨进行分离，形成大量分散的石墨烯分散液。

本发明通过以下技术方案实现。

一种石墨烯分散液，包括石墨烯、分散剂和溶剂，其特征在于，所述的石墨烯分散液浓度是：1 mg/mL～60 mg/mL，其中分散剂含量0～6 % (重量)；石墨烯片的长度是100～6000 nm。

优选地，所述石墨烯为寡层石墨烯。

优选地，所述的分散剂为：十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、对苯乙烯磺酸钠、聚对苯乙烯磺酸钠、木质素磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、胆酸钠、聚苯乙烯、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇、吐温80中的一种或两种。