[发明专利]一种超临界流体制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型材料领域技术，特别是提供一种超临界流体制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯的制备方法一直是人们关注的热点问题，目前主要的合成方法有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉底及液相氧化还原法等。前三种方案虽然可以制得高质量的石墨烯，但是设备投入较大，成本较高；而液相氧化还原法虽然成本较低，但是步骤繁琐，杂志含量高，且用到大量的强碱、强氧化、强还原性物质，环境污染严重。超临界流体一种清洁、无污染、价格低廉且来源丰富的高效分散介质。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，本发明的目的在于提供一种超临界流体制备石墨烯的方法，其反应过程简单、价格低廉、易于大规模生产，且该方法所制得的石墨烯杂质含量少、层数低、厚度薄。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：一种超临界流体制备石墨烯的方法，包括有如下步骤：

1)石墨的膨胀前处理：

将石墨置于由氧化剂和插层剂构成的混合溶液中，在20～60℃下搅拌处理0.5～5h，获得的产物经洗涤、过滤、干燥后置于马弗炉中，于空气气氛中及600～1200℃高温下处理3～60s，得到膨胀石墨产物备用；

2)石墨烯的制备：

将上述所得产物加入聚四氟乙烯容器中，密封后放入高压釜中，上盖密封；注入超临界流体，调节温度为40～160℃和压强为5～30MPa，使其中的超临界流体达到超临界状态，反应物在磁力搅拌下反应1～24h后，通过泄气阀放气，取出反应产物，再加入一定量的分散溶剂，通过超声及搅拌进行再分散，产物离心后取上清液并制得石墨烯。

作为一种优选方案，所述石墨原料为人造石墨或天然石墨；所述氧化剂为浓硫酸、双氧水、高锰酸钾、高氯酸、浓硝酸中的一种或几种；所述插层剂为二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮、甲基乙酰胺、十二烷基苯磺酸钠或二甲亚砜。

作为一种优选方案，所述石墨：氧化剂：插层剂的质量比为1:0.5～10:0.5～10。

作为一种优选方案，所述膨胀石墨添加浓度为1～10g/L。

作为一种优选方案，所述超临界流体为二氧化碳、乙醇、乙烷或水。

作为一种优选方案，所述分散溶剂为二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮、乙醇，异丙醇、丙酮或水。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体为：

1、本发明方法通过利用超临界流体法制备得到杂质含量少、层数低、厚度约为0.3～3nm的高品质石墨烯，其具有良好的电学性能。所得石墨烯的层数可以通过调节插层剂和氧化剂的用量、超临界体系的浓度和剥离时间来调节。

2、本发明通过对石墨原材料进行预膨胀处理，不仅扩大了该方法的适用范围，而且可以较大范围内实现对石墨烯层数的调节，所得石墨烯较易分散在水及各种有机溶剂中，适用范围广。

3、本发明方法使用的超临界流体具有价格低、环境污染小、可循环使用等优点。

具体实施方式

实施例1

一种超临界流体制备石墨烯的方法，包括有如下步骤：

1)石墨的膨胀前处理：

将石墨置于由氧化剂和插层剂构成的混合溶液中，在20℃下搅拌处理5h，获得的产物经洗涤、过滤、干燥后置于马弗炉中，于空气气氛中及1200℃高温下处理3s，得到膨胀石墨产物备用；

2)石墨烯的制备：

将上述所得产物加入聚四氟乙烯容器中，密封后放入高压釜中，上盖密封；注入超临界流体，调节温度为160℃和压强为5MPa，使其中的超临界流体达到超临界状态，反应物在磁力搅拌下反应24h后，通过泄气阀放气，取出反应产物，再加入一定量的二甲基甲酰胺，通过超声及搅拌进行再分散，产物离心后取上清液，除去未被剥离的石墨颗粒，上清液经酸洗、萃取等除去可能的杂质，既得石墨烯的稳定分散溶液。也可根据需要，将上述石墨烯的稳定分散液经真空干燥处理得固体石墨烯产物。

该石墨原料为人造石墨；该氧化剂为浓硫酸；该插层剂为二甲基甲酰胺；该石墨：氧化剂：插层剂的质量比为1:1:0.5。该超临界流体为水；该膨胀石墨添加浓度为1g/L。

实施例2

一种超临界流体制备石墨烯的方法，包括有如下步骤：

1)石墨的膨胀前处理：

将石墨置于由氧化剂和插层剂构成的混合溶液中，在60℃下搅拌处理5h，获得的产物经洗涤、过滤、干燥后置于马弗炉中，于空气气氛中及600℃高温下处理60s，得到膨胀石墨产物备用；

2)石墨烯的制备：