[发明专利]一种层状材料的剥离方法及剥离得到的高质量剥层材料

说明书

技术领域

本发明属于层状材料的剥离技术领域，涉及一种层状材料的剥离方法及剥离得到的高质量剥层材料，尤其涉及一种物理膨胀剥离层状材料的方法及剥离得到的高质量剥层材料。

背景技术

2010年英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov因在二维空间材料石墨烯(graphene)方面的开创性实验获得了诺贝尔物理学奖，掀起了研究热潮。石墨烯为单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构，是其它维度碳材料(如零维富勒烯，一维碳纳米管，三维石墨)的基本组成单元。它是世界上已知厚度最薄的材料，单层石墨烯片层的厚度仅为0.334nm。理论上其比表面积高达2600m²/g，具有突出的导热性能和优异的力学性能，以及室温下高速的电子迁移率，电导率可高达7200S/cm。石墨烯的优异性能使得其在微纳米器件、超级电容器、电极材料和复合材料等诸多领域有着非常广泛的应用前景。

除了上述的石墨烯外，还存在很多由已知的层状材料剥离而得到的剥层材料，典型的层状材料有：层状双金属氢氧化物、层状金属磷酸盐、粘土、氧化石墨、石墨烯氧化物以及上述列举的这些层状材料的衍生物等，由这些层状材料剥离而得到的剥层材料也具有广泛的应用。

举例说明，目前石墨烯的制备方法有机械剥离法、晶体外延法、化学气相沉积法、特定活性剂的石墨插层剥离法以及氧化石墨烯的高温和化学还原法。机械剥离法虽然能得到质量非常高且单层石墨烯，但是这种方法仅限于理论研究，不适合大规模应用制备。气相沉积法虽然能制备结构完整石墨烯，但产量太低，而且成本较高。目前使用最广泛的一种方法是氧化还原法。氧化还原法的过程主要是：先对天然石墨进行氧化得到氧化石墨，由于片层间引入大量含氧基团，通过简单分散可获得氧化石墨烯，再经过高温还原或化学还原得到还原的石墨烯。这种方法虽然有利于实现量产制备石墨烯，但是这种方法由于氧化过程对石墨烯结构破坏程度大，在很大程度上影响了其导电性能，从而限制了其在较多方面尤其是在导电材料的应用。

因此如何从价格便宜、原料易得的天然石墨出发，不经过氧化还原过程，制备出结构完整，且具有优异导电性和导热性的石墨烯是目前的研究难点。

另外还有通过先将石墨采用强酸等插层剂进行插层处理制备得到插层石墨，亦即可膨胀石墨，然后对可膨胀石墨进行微波或高温热处理后发生膨胀形成膨胀蠕虫结构，再进行剥离得到石墨烯。但是这种过程所使用原料亦采用了酸性物质对石墨片层之间通过化学反应进行了插层处理，对其原始结构仍会造成一定程度的破坏，从而影响最终所得石墨烯的性能。

因此仍需寻找成本低廉、操作简便、易于工业化应用的膨胀工艺以制备少层高质量石墨烯以及其他的剥层材料具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供了一种物理膨胀剥离层状材料的方法及剥离得到的高质量剥层材料。本发明的剥离方法中，插层剂和活化剂等原料与层状材料均未发生化学作用，主要是通过强的物理冲击作用克服范德华力实现层状材料的膨胀剥离，制备得到的剥层材料的层数少且且质量高。

本发明所述“高质量剥层材料”指：该高质量剥层材料中有80％以上的剥层材料的层数在5层以下，而且该高质量剥层材料的片层无缺陷。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种层状材料的剥离方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将层状材料和插层剂混合，实现插层剂对层状材料的片层表面及层间的浸润；

(2)向步骤(1)混合得到的混合液中加入活化剂，使所述活化剂与所述插层剂发生反应，反应产生的气流对所述层状材料的物理冲击作用使层状材料的片层发生剥离，得到剥层材料前驱体的分散液；

(3)将步骤(2)得到的剥层材料前驱体的分散液与分散介质混合，对得到的分散体系进行物理打散，得到剥层材料的分散液。

本发明的剥离方法中，活化剂和插层剂反应产生的气流其主要作用是促进层间的膨胀，另外，活化剂和插层剂之间反应还可能产生热流，热流也对层间的膨胀起到促进作用。

优选地，步骤(1)所述层状材料包括层状双金属氢氧化物、层状金属磷酸、粘土、氧化石墨、石墨烯氧化物或盐、粘土、氧化石墨、石墨烯氧化物或粘土、氧化石墨、石墨烯氧化物或石墨原材料中的任意一种或至少两种的混合物，但并不限于上述列举的层状材料，其他常用的层状材料如层状矿物等也可用于本发明。