[发明专利]通过多步热还原法来生产具有可调性质的石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备石墨烯的工业方法的领域，特别是涉及通过氧化石墨的热剥离(exfoliation)/还原来制备具有受控特性的石墨烯的新型多步法。

背景技术

石墨烯和石墨烯基材料由于其引人注目的性质和潜在应用而引起了极大的兴趣(Park S，Ruoff,RS.,Nat Nanotechnol 2009；4:217-24)。剥离氧化石墨以产生氧化石墨烯随后进行还原工艺提供了用于获得石墨烯的简单方法(Marcano DC，Kosynkin DV，Berlin JM，Sinitskii A，Sun Z，Slesarev A等，ACS Nano 2010；4：4806-14；以及Gao X，Jang J，Nagase S.J Phys Chem C 2010；114：832-42)。该方法具有易于扩展的优点，并且还具有根据母体石墨的特性(Botas C，P，Blanco C，Santamaría R，Granda M，Ares P等人，Carbon 2012；50：275-82)以及氧化和还原两者的实验条件的特性(Stankovich S，Dikin DA，Piner RD，Kohlhaas KA，Kleinhammes A，Jia Y等人，Carbon 2007；45：1558-65)生产具有可调量的氧的石墨烯材料的能力。然而，不能调节其他重要的性质，例如比表面积。已经考虑了几种用于还原氧化石墨烯的工艺。这些工艺包括：i)用不同试剂进行化学还原，肼是最常见的试剂(Menéndez，R.等人，RSC Adv.，2012，2，9643-9650)；ii)热还原，其可以由微波辅助或在不同的气氛(氩气，真空，氢气，氢气/氩气)中进行(Kaniyoor，A，Baby TT，Arockiadoss T，Rajalakshmi N，Ramaprabhu S.，J Phys Chem C 2011；115：17660-9)；iii)电化学还原(Sundaram RS，Gomez-Navarro C，Balasubramanian K，Burghard M，Kern K.，Adv Mater 2008；20：3050-3)和iv)不同方法的组合，例如化学还原/热退火或热还原/氢化。

在热还原的情况下，应该考虑的是，该工艺是氧化石墨烯的热分解，其中结合的氧以作为碳的氧化产物的CO和CO₂的形式释放，并且剩余的碳被还原。氧化石墨的热剥离/还原是用于制备石墨烯材料的化学还原的令人感兴趣的替代方案，这是因为：i)其简单性，因为剥离氧化石墨以产生氧化石墨烯并将其热还原为石墨烯都发生在一个步骤中；ii)其可持续性，因为其避免使用不环保的化学品；以及iii)其可扩展性(可放大性，scalability)。然而，通过氧化石墨的热膨胀和石墨烯片的质量所能制备石墨烯单片的效率取决于石墨的氧化程度和热处理的条件。其中一个要求是在热处理阶段期间建立足够的压力(McAllister MJ，Li JL，Adamson DH，Schniepp HC，Abdala AA，Liu J等人，Chem Mater 2007；19：4396-404)。

在文献中描述了产生氧化石墨的热处理的几种方法。这些方法大多关注于控制所获得的石墨烯的还原度，这是处理的主要目的。然而，对于某些应用，不仅要求获得还原度(必要性质)，而且还要求控制被还原直至所需温度的该特定石墨烯的其他性质。这种情况是指表面积或溶解性质，表面积是在诸如能量储存设备(例如电池、电容器)的应用中的必要性质，而溶解性质对于催化应用是必须增强的。