[发明专利]基于微晶石墨湿磨法制备石墨烯纳米片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，更具体地，涉及基于微晶石墨湿磨法制备石墨烯纳米片的方法。

背景技术

石墨烯，是一种由sp2杂化的碳原子以六方形格子的形式成键，所形成的碳的二维平面单层结构，是碳的同素异形体。石墨烯是构建其他维数碳材料的基本单元，当它以包裹、卷绕和堆砌的方式变化时，可以分别形成零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的石墨。石墨烯具有良好的电学与光学性能、力学性能、热传导性能以及极高的电荷载流子迁移率，同时还有出色的机械强度和柔韧性。石墨烯的这些性质，让它受到众多关注而迅速成为研究的热点。通过化学修饰处理的石墨烯及其衍生物更是具有特殊功能的材料，可用于晶体管、液晶装置、电化学生物传感器、超级电容器、燃料电池、太阳能电池等等。在过去的研究过程中，人们通常用机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法等制备石墨烯。但是，上述这些方法均无法用来大批量制备无缺陷的高品质石墨烯。例如，机械剥离法虽然理论上能够制得无缺陷高品质石墨烯，但所得石墨烯的产量却非常有限。而气相沉积法虽然可用于制备大面积石墨烯，但是其生产工艺复杂、制备条件苛刻、生产成本高并且石墨烯薄膜的分离和转移工艺更是难度很大，所以这一方法仍有很大的局限性。

机械球磨法不仅操作简单，经济适用，而且费用容易应用于工业化大规模生产中，因此也一跃成为大规模制备少层石墨烯及其复合材料的新工艺方法，但是，目前普遍是采用空气介质作为球磨环境，该方法不仅破坏了石墨材料片层结构，难以得到完整的石墨烯纳米片，而且片层较厚，球磨后的粉体容易团聚，需要重洗分散在有机溶剂中，因此，本发明采用湿法球磨能有助于石墨烯纳米片的进一步剥离。

我国天然石墨成形地质条件好、分布广泛、资源丰富、质量好，储量和产量都居世界首位，是我国的优势矿产之一。天然石墨根据结晶程度的不同，可分为晶质石墨和微晶质石墨两类,其中郴州隐晶质石墨占全国总储量的74.7%左右，而且该隐晶质石墨质量较好，固定碳含量高。

但是长期以来，人们大都重视晶质石墨的开采与加工，忽视了占有一大半储量的微晶质石墨的开发利用，其深加工技术水平和深加工能力较低的问题长期未得到有效解决。目前主要以原矿和粗加工产品应用为主，资源得不到充分利用，甚至盲目出口，造成矿产资源的大量流失和浪费。因此有必要开发微晶石墨的新用途。

发明内容

本发明的要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，通过低温预剥离得到膨胀石墨烯纳米片，进一步地采用湿磨工艺，引入石墨烯量子点作为分散剂，提供一种成本较低、产率高、能规模化工业生产的基于微晶石墨湿磨法制备石墨烯纳米片的方法。

本发明还提供一种采用上述方法制备得到的石墨烯纳米片。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供基于微晶石墨湿磨法制备石墨烯纳米片的方法，包括以下步骤：

S1.制备氧化微晶石墨：将微晶石墨和硝酸钠分别加入到浓硫酸中，在保持低于20℃的同时逐渐加入KMnO ₄，保持低温搅拌1～2h，然后将温度升至35～40℃搅拌30min，再将温度升至65～80℃，并向溶液中滴加双氧水，保持40min，通过反复离心和过滤洗涤，然后真空干燥，得到氧化微晶石墨；

S2.预剥离：将步骤S1得到氧化微晶石墨放置在惰性气氛下进行低温热处理，温度为400℃，时间为10～30min，低温处理后得到膨胀石墨烯纳米片；

S3.剥离：将步骤S2得到的产品采用湿磨法进一步液相剥离，以乙醇为球磨环境，同时添加石墨烯量子点作为助剂，球料比为300～600:1，石墨烯量子点加入量为膨胀石墨烯纳米片浓度的1%～10%，通过行星式球磨机进行球磨，转速为400～600r/min，时间为4～6h，球磨后制备得到的悬浮液经过转速为10000rpm，离心20min后得到石墨烯纳米片悬浮液。

其中，步骤S3中所述石墨烯量子点通过压滤回收来达到重复利用。