[发明专利]一种快速制备小尺寸石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种快速制备小尺寸石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子在二维空间定向排布的二维纳米碳材料，其厚度仅有0.34nm，理论强度是钢的100倍，电导率高于铜，可达10⁶S·cm^-1，同时石墨烯也具有好的化学稳定性、良好的阻隔、润滑等特性，因而得到了广泛关注。在石墨烯的使用中，片径均一且较小的石墨烯在光电领域、催化、生物传感、电池添加剂等领域展现出较好的性能优势和应用前景。

目前“自上而下”的石墨剥离方法或“自下而上”的气相生长方法制备的的石墨烯或功能化石墨烯片径尺寸分布比较宽，需要通过分离才能得到其中的小片径石墨烯，其过程相对复杂，且难于连续、大规模制备。

中国发明专利CN105523550A(申请号201610057733.8)公开了一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法，先将石墨粉进行低压插层脆化，再通过圆盘式气流粉碎机八个工作喷嘴喷射的气流产生的以剪切力为主的剪切力、摩擦力和撞击力剥离石墨，获得层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片。该方法生产成本想比于现有的石墨烯制备方法，只有百分之一，成本低；无污染、产量高、成本低，满足在橡胶增强、塑料增强、涂料防腐、润滑、污水处理等领域的要求；但是该方法剥离制备的石墨烯层数在100-300层，片径宽度在5μm-30μm之间，石墨烯层数相对较厚，层数分布范围广，片径宽度大，不均匀。

中国发明专利CN106006624A(申请号201610510419.0)公开了一种干态气流剥离制备石墨烯材料的方法，其特征在于：将不同形貌、不同硬度或/和不同粒径的复合无机粉体与石墨粉通过高速气流剪切获得石墨烯材料，具体方法如下：(1)将石墨粉与复合无机粉体、表面活性剂质量比100:20-200:1-3混合均匀；其中，所述的复合无机粉体由不同形貌、不同硬度或/和不同粒径的矿物粉体组成；(2)将步骤(1)得到的混合物通过输送装置连续加入气流粉碎机，气流粉碎机利用高速气流将剪切力施加到混合物；(3)在气流粉碎机内受高速转子的旋转离心力的作用和/或高速气流旋转，达到要求的粉体在粉碎室上方随气流被引至收集袋，得到石墨烯材料，大颗粒粉体因重力在粉碎室继续粉碎。该方法在完全气流作用下，通过不同形貌、不同硬度或/和不同粒径的复合无机粉体，在高速气流中存在剪切力差异，与石墨粉作用时对石墨进行微观的切割、研磨、摩擦剥离，得到石墨烯材料。在高速气流中通过借助复合无机粉体传递能量，克服了球磨难以研磨减薄的缺陷。但该方法主要是对石墨进行剥离，获得石墨烯，石墨烯的质量不可控。

中国发明专利CN104030281A(申请号201410286173.4)公开了一种石墨烯的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)将氧化石墨用机械剪切或球磨的方式破碎成小碎片；(2)在氢氮或氢氩混合气氛下，气体流速为10～100mL/min，以5～35℃/min升温速率将上述氧化石墨小碎片升温至250～500℃，保温时间为5～120min，氢氮或氢氩气流下降至室温或自然冷却至室温，得到石墨烯。该方法基于小碎片氧化石墨在低氢浓度下和低温的还原和剥离，提供了一种安全、低成本氢还原制备石墨烯的方法。

以上方案中依然是以“自上而下”的石墨剥离、或氧化石墨还原剥离获得石墨烯，或者通过对氧化石墨进行机械剪切或球磨的方式破碎成小片，然后对还原剥离。因此，发明一种制备工艺简单，并能够快速、大量制备片径均一的小尺寸(10μm)石墨烯的方法，对于推进石墨烯的商业应用具有重要现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术的主要针对“自上而下”的石墨剥离方法或“自下而上”的气相生长方法制备的的石墨烯片径尺寸分布比较宽的问题，进而提出一种速制备小尺寸石墨烯的方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种快速制备小尺寸石墨烯的方法，其特征在于，石墨烯原料在一压力条件下，通过作用力使石墨烯原料横向撕裂，形成小尺寸石墨烯。

本发明中的“横向”指沿石墨烯片层方面，与传统的石墨剥离的“自上而下”方向垂直。本发明中的石墨烯原料可以为石墨烯原料本身，也可以为功能化石墨烯原料。

进一步地，所述作用力为所述压力在施压过程中产生的作用力。更优选地，所述压力在施压过程中，产生的作用力使石墨烯片层之间碰撞、摩擦，导致石墨烯原料片层被撕裂，形成小尺寸石墨烯。