[发明专利]一种简易快速制备薄层石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种简易快速制备薄层石墨烯的方法，特别是一种通过轻微氧化和插 层反应制备薄层石墨烯的方法，属于新型碳材料技术领域。

背景技术

锂二次电池具有高比能量、高工作电压和长寿命等优点，已经广泛应用于移动电 话、笔记本电脑等便携式电器。但由于锂二次电池在应用中出现过因短路造成的烧伤事件， 以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了应用。为此，研究出用碳素体等作负极 载体的锂离子电池，使上述问题得以避免，已成为发展速度最快的二次电池。随着实际应用 对储能设备的各项指标要求的不断的提高，当前的储能装置已经无法满足实际需求。汽车、 电子、通讯、军事、航空航天、医疗等领域需求程度也越来越大，要求也越来越高。然而，传统 锂离子电池材料存在缺陷，例如，充电时间长、功率密度相对较低等。在一些高脉冲应用中， 传统锂离子电池材料难以满足体系所需要的高功率和储能密度。

石墨烯（graphene）是一种由碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状（只包括六角原 胞）晶格结构，它是由sp²杂化的碳原子紧密排列而成的单层石墨片，该石墨片具有较高的 比表面积、突出的导热性能和力学性能，使其在储能领域可以作为锂离子电池、超级电容 器、太阳能电池和燃料电池等储能器件的电极材料。但是，目前大多数制备石墨烯的工艺存 在工艺操作复杂、反应条件苛刻，导致成本高，产品质量差。例如，化学气相沉积法（CVD）制 备的石墨烯结晶完整、大面积、高质量，但是成本高、工艺复杂、衬底要求条件高；氧化石墨 还原方法制备石墨烯虽然简便、低成本，但制备的石墨烯存在较多缺陷；外延生长法制备的 石墨烯质量高，但是制备石墨烯的厚度不均匀，且对生产设备的要求高。因此，对于工艺简 单、能快速生产层数少、缺陷小的石墨烯材料，越来越受到重视。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的石墨烯制备方法中存在的缺陷，提供了一种简易快 速制备薄层石墨烯的方法，该方法制备石墨烯不仅操作简单，周期大大缩短，使用的强氧化 剂种类及数量少，生产效率高，而且所得产物能保持石墨烯的共轭结构，减少薄层石墨烯的 结构缺陷。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明一种简易快速制备薄层石墨烯的方法，该方法具体过程和步骤为：

a.取0.05～1g石墨原料放入烧杯中，向其中加入0.1～1.5g过硫酸铵和1～10mL浓硫 酸，搅拌50min，向其中缓慢加入1～5mL双氧水，静置2-24h，膨胀，用去离子水洗涤、过 滤，60℃干燥8h；

b.取氧化剂0.05～3g、浓硫酸1～10mL以及上述步骤a所得的干燥后的产物放入烧 杯中，搅拌30～180min，搅拌后，用蒸馏水和稀盐酸交替洗涤离心5Min；

c.在上述步骤b所得的洗涤离心产物中加入蒸馏水，再加入1～5mL插层剂，在100w 的功率下超声0.5～5h，然后用乙醇清洗；

d.在步骤c所得的清洗后的产物的水溶液中，加入0.1～5mL还原剂，在70～100℃下 搅拌1～5h，充分还原，冷却至室温后，用40ml去离子水和40ml乙醇交替洗涤，干燥8-24 h，干燥后即可得到薄层石墨烯。

上述步骤a中所述的石墨为天然石墨、鳞状石墨或膨胀石墨中的一种。

上述步骤b中所述的氧化剂为高铁酸钾、高铁酸钠或高锰酸钾中的一种。

上述步骤c中所述的插层剂为苯乙胺、苯胺或苄胺中的一种。

上述步骤d中所述的还原剂为水合肼、硼氢化钠、氢碘酸、柠檬酸或葡萄糖的水溶 液中的一种。

同现有技术相比，本发明方法具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点 是：

（1）.本发明制备工艺简单，制备过程中，在常温下操作，制备周期短，效率高，可规模化 应用；制备过程中所需使用的强氧化剂种类少，数量少，避免了使用结构较复杂、大型的实 验仪器；

（2）.本发明制备石墨烯过程中：石墨原料经部分氧化而充分还原，保留了石墨烯的结 构，减少其含氧量；制备过程中的插层反应采用一种“分子铲”的形式剥离石墨层，减少了石 墨烯的结构缺陷。

（3）.本发明的制备方法制备的石墨烯材料，其电化学性能得到提高，在50mA/g电 流密度下，首次放电比容量为1946mAh/g，第2次循环可逆放电比容量可达1015.8mAh/g， 高于石墨烯标准的理论比容量（540mAh/g）。