[发明专利]一种基于射线分级剥离制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，具体涉及一种基于射线分级剥离制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种新型二维材料，只有一个碳原子厚，因此，由于其独特的二维共轭结构，石墨烯展现出诸多突出的物理化学性质，包括优异的电学、热学、光学和力学性质以及巨大的比表面积。目前已有包括机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、衬底附生法、化学解理法等石墨烯的制备技术。

为了实现石墨烯的量产剥离，目前通常采用氧化石墨还原法。该方法操作简单、制备成本低，可以大规模地制备出石墨烯，已成为石墨烯制备的有效途径。其具体操作过程是先用强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。但是，氧化还原过程中容易引起石墨烯的晶体结构缺陷，破坏了石墨烯的电学性能，影响了其在电子信息领域的应用。另外，会产生大量的废水，对环境造成严重污染，限制了石墨烯的产业化发展。

尽管目前通过气相沉积法和外延生长法获得了大面积高质量的石墨烯 ，但无论是气相沉积还是外延生长，均是以碳源重新形成石墨晶体，因而导致对反应环境要求较高，难以低成本量产。

近些年出现了直接利用机械力剥离制备石墨烯。大幅推动了石墨烯的低成本量产化。如中国发明专利申请号201310411516.0公开了一种石墨烯材料的球磨制备方法，该发明将石墨碳与烷基六元芳环或稠环聚醚型非离子表面活性剂的质量体积比为1：2～1：15和去离子水混合装于球磨罐，固定于球磨机以200-500rpm的转速球磨5-30小时；再转入去离子水中，以3000-8000rpm的转速离心10-30min，得到黑色上层胶体悬浮液，制得不同浓度石墨烯水溶液；中国发明专利申请号201310238984.2公开了一种对流气体剪切剥离二维层状材料的方法，该方法通过高压冷热气体循环对流产生的剪切力来剥离二维层状材料，通过反复循环的冷热气体剪切作用，可以生成单层及少数层的二维材料如石墨烯。然而由于石墨烯属于纳米级别的材料，在达到纳米级别以后，机械作用力难以实现力的有效传递，得到的石墨烯层数高且层数分布极不均匀、产率低。另外，得到的石墨烯因受机械力长时间反复冲击，易造成石墨烯晶体结构的破坏。

为此，技术人员在积极寻求新的技术突破。石墨变为石墨烯，需要克服层间很高键能的氢键连接。石墨的层间以范德华力结合，结合能初步估计为2eV/nm2。因此，只要在石墨层间施加超过2eV/nm2的外界能，实现石墨烯的剥离是完全可以的。因此，高能射线成为剥离制备石墨烯的又一技术。中国发明专利CN103011153B公开了一种石墨烯溶胶及石墨烯的制备方法。该方法将石墨粉与双氧水按质量比混合均匀，在匀速搅拌条件下，送入钴—60 室，利用60Co产生的γ射线依次在0.03—0.1KGY、0.2—2.5KGY、0.01—0.03KGY 的射线强度下分别照射，得到石墨烯悬浮液。但该方法采用长时间照射，一方面效率低，难以量产；另一方面，长时间照射会使得已剥离的石墨烯过度照射损伤。同时，γ射线对在纳米级别的石墨烯剥离能够较佳的发挥其能量优势，但对于大颗粒石墨，利用γ射线处理需要长时间的辐射，在具体实践中难以达到量产剥离的效果。

发明内容

针对现有技术利用射线制备石墨烯存在难以量产以及长时间照射的缺陷，本发明提出一种基于射线分级剥离制备石墨烯的方法。该方法是利用α、β、γ射线电离能力依次减弱、穿透力依次增强的特性，将石墨进行预插层处理，使插层石墨烯在管路中形成高速流，连续通过γ、β、α射线区，经逐级穿透、电离剥离得到高质量石墨烯，实现了批量、稳定质量高质量制备石墨烯。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于射线分级剥离制备石墨烯的方法，其特征在于：具体制备方法如下：

(1) 将石墨粉与金属盐溶液分散均匀，陈放、过滤、烘干，将金属盐插层在石墨的层间，得到插层石墨；

（2）将步骤（1）得到的插层石墨送入旋喷式气流粉碎机，在旋喷式气流粉碎机回旋腔体中插层石墨不断被细化，达到要求的微细石墨经气流离心分级装置分级，进入高压仓，高压仓的压缩介质为压缩氮气，压缩氮气产生的高速气流将微细石墨送入分级剥离管路；其中剥离管路直径为3-5mm；