[发明专利]一种制备高结晶度多层石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种多层结晶石墨烯的制备方法，属于材料加工制备领域。该多层结晶石墨烯以普通商业石墨产品为原料，通过多重联合剥离方法，形成结晶性良好的多层石墨烯。该制备方法成本低廉，绿色环保，所得到的产品成本约为300元/千克，具有广阔的商业前景。

技术领域

本发明涉及一种多层结晶石墨烯的制备方法，属于材料加工制备领域。

背景技术

石墨烯可分为单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯，它是一种平面二维材料，在能量存储、燃烧催化、制氢等领域有重要应用。传统制造石墨烯的方法主要有两种：“自下而上”法和“自上而下”法。“自下而上”法主要是利用碳源实现原子级别的堆叠，使之逐渐形成平面结构的石墨烯；“自上而下”法则主要是利用石墨通过剥层获得石墨烯。目前应用最广泛的石墨烯制备方法为氧化还原法(Hummer法)，它属于“自上而下”法的一种，期制备过程遵循“石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯”的工艺流程，其中由石墨制备氧化石墨的过程需要强酸环境(通常为硫酸高锰酸钾溶液)，这会使石墨中的碳原子sp³杂化遭到破坏并形成不可逆转的缺陷，从而导致得到的石墨烯样品的结晶性能遭受严重破坏。且无论“自下而上”法或“自上而下”法，其生产成本都非常巨大，目前商业化的石墨烯价格(每克)在几元、十几元和几十元不等，高昂的制造成本限制了石墨烯的广泛应用。同时，氧化还原法制备石墨烯还会对环境造成较为严重的污染，造成工业生产的二次问题。故而发展一种低廉、绿色、可制备结晶性能良好的石墨烯的技术十分重要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种低廉、绿色，可制备结晶性能良好的多层石墨烯的工艺方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种制备高结晶度多层石墨烯的方法，该方法的步骤包括：

第一步，原料筛选，制备结晶多层石墨烯的原料为商业化的可膨胀石墨，将可膨胀石墨粉进行筛分，筛分过程中选取80-120目筛网以上的可膨胀石墨粉作为制备结晶多层石墨烯的原料；

第二步，体积受限快速膨胀剥离，将第一步筛分得到的可膨胀石墨粉置于固定体积的封闭但非密闭(开孔)石英容器中，在高温(900-1200℃)、高升温速率(＞400℃/min)、惰性气体(氮气或氩气)保护的条件下进行体积受限快速膨胀剥离，并在高温条件下结晶转化20-40分钟，得到一次剥离的膨胀石墨烯；

此处定义可膨胀石墨的膨胀比(r,ml/g)为单位质量的可膨胀石墨完全膨胀后的体积，即：

r＝V/m

同时，记固定体积的封闭但非密闭石英容器的体积为V₀，则为了实现体积受限膨胀，保证较高的剥离效率，可膨胀石墨的投料量应当满足以下关系：

m＝αV₀/r

α的取值范围为1.05～2.25之间；

第三步，清洗及机械辅助剥离，将第二步经过体积受限膨胀得到的一次剥离的膨胀石墨烯在去离子水中机械搅拌清洗4-6个小时，将上层悬浊液抽滤、烘干，得到二次剥离的膨胀石墨烯；

第四步，超声剥离，将第三步经过清洗和机械辅助剥离得到的二次剥离的膨胀石墨烯分散在有机溶剂(如二氯甲烷、乙醇、苯等)中，分散浓度≥5mg/ml，利用低功率(30-60W)超声波进行超声剥离，剥离时间为16-36小时(以超过18小时的剥离时间为佳)，得到石墨烯分散液，利用滤膜分离(溶剂回收)并烘干即可得到高结晶度的多层石墨烯。

在优选的实施例中，体积受限快速膨胀剥离步骤中的剥离过程和结晶转化过程应当考虑常规加热装置，避免采用具有强辐射源(如微波、射线)的加热方法。

制备高结晶度多层石墨烯的工艺流程见图1。

有益效果