[发明专利]时空同步超声球磨法剥离石墨制备石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种时空同步超声球磨法剥离石墨制备石墨烯的方法，包括如下步骤：将石墨原材料与剥离试剂加入超声球磨设备中，在超声波环境下球磨2～96h，混合物经过分离、洗涤、干燥得到石墨烯粉末。该方法采用时空同步超声与球磨法剥离石墨，二者协同增效作用使石墨层间原位膨胀的同时受到球磨强剪切力。该方法具有高效率、高产率的优点，适用于批量制备石墨烯。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯制备方法，特别是指一种时空同步超声球磨法剥离石墨制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料。石墨烯自被发现以来，由于其奇特的性质受到广大研究者的关注，已经在新能源、新材料等领域展露出广阔的应用前景。

目前批量石墨烯制备方法主要分为化学氧化还原法、物理剥离法和化学气相沉积法。化学氧化还原法具有易大量制备的优点，但同时也有产生大量废酸与重金属污染的缺陷。化学气相沉积法虽然可以批量制备石墨烯薄膜及少量粉体，但是需要高温等苛刻条件，同时所制备的石墨烯多为薄膜形态，不利于做填料添加剂。相对而言，物理剥离法具有规模化制备石墨烯的潜力。物理剥离法主要是利用机械外力克服石墨层间的范德华力，使之自上而下的剥离成石墨烯纳米片。

超声剥离法是利用超声波的空化作用来减弱和克服石墨烯层间的范德华吸引力，具体地讲是通过超声波引起微纳米泡沫增长与破裂产生强烈冲击和压力波动使石墨烯剥离与分散。N-甲基吡咯烷酮是较早用于超声剥离石墨烯的溶剂，该方法可以得到0.01mg/mL的石墨烯分散液(Adv Funct Mater,2009,19,3680)。邻二氯苯也被用作超声剥离石墨烯的试剂，可以得到0.03mg/mL的分散液(Nano Lett,2009,9,3460)。超声波法剥离石墨制备石墨烯简单易行，但是这种方法得到的石墨烯分散浓度很低，一般小于0.01mg/mL，而且产生的剥离力较弱，剥离效率较低。

普通球磨法也是制备石墨烯的方法之一，该方法利用球磨介质相互撞击与滚动产生强烈的剪切力来剥离石墨。中国发明专利CN103570005A将石墨与硫酸钠等混合，然后高速球磨8～12小时，随后纯化得到石墨烯粉体。发明专利CN105883773A将石墨与苯磺酸钠、环戊二烯、砂磨剂等一起混合，2000rpm球磨4～48小时，经分离纯化的得到石墨烯粉体。球磨法设备维护与操作方便，而且可以较大量的制备石墨烯，但是该方法制备时间长，石墨烯产率仍较低。

综上所述，目前机械剥离法制备石墨烯还存在产率低、制备效率低的缺点，而且现有技术中尚没有同时利用超声方式与球磨方式在同一时空下同时作用于石墨进行石墨烯剥离的方法，该方法同时超声与球磨协同增效剥离作用，使石墨层间原位膨胀的同时受到球磨强剪切力，剥离效率大大提升，适合批量制备石墨烯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率的时空同步超声球磨法剥离石墨制备石墨烯的方法。

为实现上述目的，本发明所提供的时空同步超声球磨法剥离石墨制备石墨烯的方法，包括如下步骤：将石墨原材料与剥离试剂加入超声球磨设备中，在超声波环境下球磨，球磨时间优选为2～96h，混合物经过分离、干燥得到石墨烯粉末。

可选地，所述剥离试剂为有机溶剂，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、异丙醇、丙酮、乙醇、环己酮、氯仿、含氟芳烃、八氟甲苯、六氟苯、五氟苯氰、五氟嘧啶、三氯甲烷、环戊酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、γ-丁内酯、N-十二烷基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮。

可选地，所述剥离试剂为由表面活性剂和水配置而成的表面活性剂-水体系，所述表面活性剂包括：胆酸钠、脱氧胆酸钠、牛磺酸胆酸钠、3-[(3-胆酰胺丙基)二甲基氨基]并磺酸内盐、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、双十二烷基二甲基溴化铵、十二烷基麦芽糖、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯磺酸钠、聚氧乙烯硬脂酸酯、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚、聚乙二醇辛基苯基醚、纤维素纳米晶。