[发明专利]一种通过粘性机械剪切剥离制备石墨烯微片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯制备的技术领域。具体涉及一种通过粘性机械剪切剥离制备石墨烯微片的方法。

背景技术

石墨烯是一种碳原子按正六边形紧密排布为蜂窝状的平面原子晶体结构，石墨烯特有的平面结构使其具备了许多三维晶体不具备的特性，如比表面积高达2.6×10³m²/g，导热系数高达3×10³W/（m.K），力学性能为1.06×10³Gpa，杨氏模量为1.0TPa，其力学强度高达130Gpa，是钢的100多倍。石墨烯具有稳定的正六边形晶格结构使其具有优异的导电性，电子迁移率高达1.5×10⁴cm²/（V.s），比半导体锑化铟的最大迁移率高2倍，比商用硅片的最大迁移率高10倍，此外石墨烯还具有很高的光透射率、室温量子隧道效应、反常量子霍尔效应等等。

目前在石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法：通过机械作用将石墨剥离为单层碳原子结构；外延生长法，高温加热大面积单晶SiC，使石墨烯生长于其上，再于超高真空或常压下脱除Si留下C，继而得到与SiC差不多面积的石墨烯薄层，用作石墨烯衬底的材料分为非金属类衬底（如SiC、SiO₂、GaAs等）和金属衬底（如Cu、Ni、Co、Ru、Au、Ag等），外延生长法制得的石墨烯仍无法达到均一厚度；金属催化法：将固态或气态的碳源在一定的温度、压强及催化剂的作用下在基底上直接生成石墨烯的方法，包括化学气相沉积法和金属催化法两种；淬火法：通过快速冷却中造成的内外温差产生应力，使石墨烯从石墨表面脱离，还包括直接燃烧法、电化学法、原位自生模板法等。

上述方法的工艺过程均较复杂，反应条件不易控制，制备成本较高，重复性较差，存在污染。

而在液相中直接剥离普通晶体石墨制备石墨烯的方法，以其晶体石墨粉原料、相关溶剂及机械剥离设备价格低廉，溶剂可以绿色无污染的特点，展现出简易绿色、低成本、高效率、大批量制备石墨烯的优势。然而，由于这种剪切剥离的剪切强度有限，目前广泛采用的是超声空化，利用超声产生的液体空化实现对石墨的剥离。而空化伴随着局部高温高压的剧烈过程，对石墨烯造成的缺陷较大，而且质量不稳定。

在中国专利CN103723707A中公开了一种石墨烯薄片制备方法及其所制备的石墨烯薄片，其中公开了通过流体作用力使高度石墨化石墨烯分散为石墨烯薄片，但其作用方式需要将流体通过一含有喷嘴的循环系统，使流体作用于高度石墨化石墨烯的表面或侧面，即其通过流体作用力制备石墨烯的方法需要配套的设备才能实现，不利于大量推广。

在另一份中国专利申请CN201510174415.5中公开了一种在电场环境下旋转剪切制备石墨烯的方法，采用的实验装置包括装有电解液的反应容器、作为阴极的高纯石墨、作为阳极的惰性电极和搅拌器，步骤为：将阴极阳极接通直流电源，用搅拌器搅拌电解液；在恒定电压下，阴极极化剥离高纯石墨，同时电解液在搅拌器作用下，受到一定的速度搅拌，使阴极剥离下来的多层石墨烯再受到一个剪切力，制得含有石墨烯的溶液； 将含有石墨烯的溶液再清洗、离心、干燥制得石墨烯，此方法需要进行电化学反应，反应过程缓慢且难以控制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实施方便，普遍适用，过程易控的石墨烯微片的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种通过粘性机械剪切剥离制备石墨烯微片的方法，包括以下步骤：

（1）准备胶粘性溶液；

（2）将石墨晶体分散于胶粘性溶液中，得到混合液；

（3）对混合液进行高剪切搅拌，在搅拌中石墨晶体分离为石墨烯；

（4）去除非石墨烯成分；

所述胶粘性溶液与石墨晶体接触后，快速与石墨晶体表面原子相连，且其与石墨晶体表面原子的结合力大于石墨晶体层间结合力。

其中胶粘性溶液的作用在于与石墨晶体表面原子相连，在搅拌下其可以将石墨晶体表面一层一层剥离，在特殊条件下，为增强剥离效果，该溶液中也可加入触变剂，使液体具有一定的触变性，但本发明中胶粘性溶液与石墨晶体表面原子的快速相连是一个关键，恰当的剪切作用也是关键，因此通常不建议选用具有剪切变稀性能的溶液，除非实施者有其它目的。

本发明中胶粘性溶液一方面可以在搅拌作用下使石墨晶体剥离形成石墨烯，另一方面也可快速将剥离后的石墨烯进行包裹，避免其结构受到搅拌的损害。