[发明专利]制备片状石墨烯的方法

说明书

本发明涉及一种在油中通过石墨的液相剥离过程制造片状石墨烯的方法。

技术领域

本发明的目的是提供一种在油中通过石墨的液相剥离制备片状石墨烯的有效方法。

背景技术

石墨烯是碳的同素异形体之一。它由形成六边形晶格的单层碳原子组成。平面内的原子通过sp²杂化的强键连接。对于由两个或多于两个石墨烯层(石墨)组成的结构，各层通过弱的范德华力连接。鉴于许多感兴趣的特性(例如高导电性和导热性、高电荷迁移率、拉伸强度和耐化学性)，石墨烯适用于制备各种类型的电子体系、光电体系和复合体系。然而，市场上现有的石墨烯制造方法依然复杂而昂贵，这大大地限制了石墨烯的潜在应用范围。现如今，石墨烯制备方法的发展将同时提高效率并降低成本，这对于基于这种碳材料的实施应用的未来至关重要。

一般来说，液相剥离法是一种众所周知的技术，可以直接在悬浮液中制造高质量的石墨烯片，同时允许将制备过程从实验室规模扩大到工业规模[Current Opinion inColloidInterface Science 20,311(2015),Nature Materials13,624(2014)]。它基于将石墨烯层从正确选择的溶剂中的石墨晶体上剥离。在这种方法中，剥离过程可由各种机制触发，即离子嵌入、离子交换、剪切力混合、超声处理或水的反常热膨胀。

PL 229934B1公开了水的反常热膨胀的应用，其在水凝固时体积增加。这种效应可以允许使用含有表面活性剂(氟化醇取代的乙二醇)的水溶液，使水分子能够在石墨层之间渗透，然后将其冷冻(使用液氮)并干燥。结果获得包含石墨烯片的悬浮液。此外，该方法中使用的石墨被预先插入酸，并进行热膨胀。该公开没有描述剥离过程的效率或获得的石墨烯悬浮液的纯度。

此外，在US 20180312404 A1中，提出了一种制造包含石墨烯片的二维材料的方法，通过将层状材料颗粒与选定的载体液混合，然后在适于触发剥离效果的压力下压缩混合物并将其注入微流通道。该方法可以使用微流化器进行。建议的载液特别包括水、醇、N-甲基吡咯烷酮、氯仿和苯，其中载体液可以任选地包含聚合物基质，例如环氧树脂或硅油。最终产物是分散在给定介质中的所选二维材料片的悬浮液。

WO 2015193268 A1提出了一种石墨烯纳米片的制备方法，该方法涉及基于插层石墨片在高温等离子体中膨胀的预处理。接下来，膨胀的石墨溶解在选定的介质中，例如水、有机溶剂、矿物油、植物油、天然或合成聚合物。采用的矿物油包括：芳香族矿物油，包括石油、石蜡矿物油、酯基合成油和醚基合成油。在接下来的步骤中，混合物通过高压均化进行剥离过程，并在高于35MPa的压力下泵送通过至少一个微通道。

Nano Letters 16,543(2016)公开了嵌入和离子交换的机制可用于石墨烯的剥离。液体中存在的离子在材料的相邻层之间渗透，从而增加它们之间的距离并削弱键合，进一步导致层的完全分离(在离子交换的情况下，层之间已经存在的较小离子被较大的离子取代)。该公开没有提供关于实施该机制的效率或可能性的信息。

Nature Materials 13,624(2014)上发表的一篇文章的作者提出了一种片状石墨烯的制备方法，包括在液体中将石墨晶体高速混合，以产生剪切力，削弱范德华键并导致石墨分层。作者还展示了使用超声波(而不是混合)来触发剥离过程的可能性。剥离过程在添加了表面活性剂(N-甲基-2-吡咯烷酮、氯酸钠)的水溶液中进行。这种方法可以剥离单层和多层石墨烯。溶液中制备的石墨烯的最大浓度不超过每小时0.08mg/ml。