[发明专利]一种干粉态下利用交变电场连续剥离制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料制备领域，具体涉及一种干粉态下利用交变电场连续剥离制备石墨烯的方法。

背景技术

碳元素广泛存在于自然界中，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。碳元素有多种同素异形体，最为人们所熟知的就是sp2杂化的石墨和sp3杂化的金刚石。1985 年富勒烯(Fullerene)的发现和1991年碳纳米管的发现，扩大了碳的同素异形体的范畴。2004年另一种具有理想二维结构和奇特电学性质的碳的同素异形体——石墨烯被成功制备，引发了新一波碳质材料研究热潮。

石墨烯是由一层碳原子组成的二维碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六边形的晶格组成，可以看作是一层被剥离的石墨片层。石墨烯具有优异的结构刚性和良好的导电性，这些优异的特性使石墨烯拥有十分广阔的发展前景。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。然而，直接的机械剥离效率低，能耗高，得到的石墨烯层数分布不均，质量稳定性较差。

中国发明专利申请号201110103401.6 公开了一种电场剥离氧化石墨烯的方法，以氧化石墨为原料，配合利用十二烷基硫酸钠表面活性剂，在交变电场的作用下剥离得到氧化石墨烯。但是，该发明使用氧化石墨烯作为原料，在石墨烯表面有很多悬挂键，这些悬挂键将捕捉液体中的离子，影响石墨烯的性能，而且剥离方向平行于电场方向，但是石墨在空间中是随机分布的，导致剥离不完全。

中国发明专利申请号 201210038258.1公开了一种电场剥离插层石墨制备石墨烯的方法，现将石墨进行氯化物插层处理，通过配置插层石墨悬浊液置于交变电场中，对插层石墨进行剥离，制得含有石墨烯的溶液，与上述制备环境类似，该方案需要提供液态环境和氯化物的插层，会导致石墨烯表面吸附离子，而在后期处理过程中没法去除，影响石墨烯产品的性能。

中国发明专利申请号 201210493974.9公开了一种多孔状氧化石墨烯的制备方法，在石墨溶胶溶液的两侧施加电场作用，带负电的氧化石墨颗粒开始向正极运动；当电场作用方向相反时，氧化石墨颗粒又开始向相反的方向运动，如此往复，最终使氧化石墨剥离成单层氧化石墨烯。但是，该方案需要周期往复电场，整体的剥离周期很长，而且会引入杂质离子，影响石墨烯性能。

中国发明专利申请号201610831376.6公开了一种利用气流粉碎机制备石墨烯的方法及石墨烯，通过在石墨原料中混入作为剥离介质的片形金属粉，在气流粉碎机作用下，石墨与片状金属粉不断撞击，产生切削与剥离。但是该方法制备的石墨烯不可完全避免金属粉表面吸附，降低石墨烯的有机浸润性，不利于石墨烯在橡塑方面的应用。

综上所述，目前的电场剥离石墨烯方法面临两大问题：一是在剥离过程中引入杂质原子和离子，影响石墨烯的产品性能；二是周期性的交变电场剥离石墨烯的产量低，只有在平行于电场方向上的石墨能够剥离，生产周期长，不适合大规模工业化生产，而且石墨烯产品的分散性较差，进而导致后处理过程复杂，生产成本增加等问题。因此，目前还没有一种在干粉态条件下连续剥离制备石墨烯的方案。

发明内容

针对现有技术中在液相环境中，采用交变电场剥离石墨烯的技术缺陷，本发明提出一种在干粉态条件下连续剥离制备石墨烯的方法，首先将石墨粉预先与表面活性剂分散，通过高压气流将预分散石墨粉以烟雾状快速通过两平行长条金属板区域，此对平行长条金属板之间施加一交变电场，在横向高压气体冲击波以及两金属极板之间形成的纵向交变电场，相互交互振动作用下，石墨粉被快速震荡剥离为石墨烯，实现了干粉态下连续剥离制备高质量石墨烯。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种干粉态下利用交变电场连续剥离制备石墨烯的方法，采用石墨粉作为原料，包括以下步骤：

清洗石墨粉，除去杂质后，氩气保护烘干备用；