[发明专利]一种功能化石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种功能化石墨烯及其制备方法和应用，包括以下步骤：将鳞片石墨粉、插层助剂和剥离助剂加入反应磨设备中，密封；向所述反应磨设备中通入二氧化碳气体进行反应磨；取出样品，分筛、除杂、干燥，获得功能化石墨烯。本发明通过改进制备方法，可获得一种性能优异的功能化石墨烯材料，且该制备方法可节约制备成本，具有应用前景。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种功能化石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，其具有理想的2D结构，其单原子厚度使其成为目前世界上最薄的材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，这些优异的特性使其广泛应用于多个领域，比如材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面。

目前为止石墨烯的制备方法主要有物理方法和化学方法两大类，其中物理方法主要有机械剥离法、液相或气相直接剥离法等，而化学方法主要有化学气相沉积法、氧化-还原法、晶体外延生长法、电弧放电法等，其中氧化-还原法由于其成本较低、制备工艺简单易控等特点而成为当前制备石墨烯最常用的方法之一。

通常来说，结构完整的石墨烯具有较大的芳香共轭结构，大量石墨烯片层聚集在一起时，石墨烯片层之间存在较大的范德华力，导致石墨烯易团聚、难溶于水和其他常用的有机溶剂，这限制了其优异性能的发挥以及应用，而目前功能化石墨烯成为突破其应用显著的主要路径，这是由于功能化石墨烯在最大程度地保持石墨烯优异性能的同时，功能化官能团的引入改进了其电化学性能及与其他介质的相容性，从而有效地改善了石墨烯易团聚的问题。

申请号为201510613444.7的中国专利申请中公开了一种一步法制备羧基功能化石墨烯的方法，其将天然鳞片石墨粉加入到球磨罐中，然后通入二氧化碳气体密封球磨，通过一步法制得表面含有大量羧基官能团且呈片层结构的羧基功能化石墨烯；申请号为201710862809.9的中国专利中公开了一种反应磨法制备边缘羧基化石墨烯和石墨烯的方法，其将石墨粉置于反应磨设备中，将反应磨设备密封，再将二氧化碳气体冲到反应磨设备中，启动反应磨设备，反应磨一段时间后，得到边缘羧基化石墨烯；将边缘羧基化石墨烯在惰性气体中进行灼烧还原，即获得一种边缘羧基化石墨烯。但上述两种方法功能化单一且引入的羧基基团量相对较少，此外还存在制备的石墨烯层数相对较厚，制备时间较长、能耗大、成本高、不满足环保要求的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种功能化石墨烯及其制备方法，该制备方法简单，采用的原材料安全环保，且得到的功能化石墨烯表面含有大量含氧基团且层数较薄，具有石墨烯本身的优异性能，且能够改善石墨烯在溶剂中的团聚问题提高其分散性，并且该制备方法能耗低，满足环保要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种功能化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

将鳞片石墨粉、插层助剂和剥离助剂加入反应磨设备中，密封；

向所述反应磨设备中通入二氧化碳气体进行反应磨；

取出样品，分筛、除杂、干燥，获得功能化石墨烯。

进一步的，所述鳞片石墨粉的纯度不低于99.98％，其粒径不低于200目。

进一步的，所述插层助剂选自季铵盐、有机胺盐、FeCl₃、EC、乙酸、有机酰胺中的至少一种；

所述剥离助剂选自高锰酸钾、高氯酸铵、硝酸铵、矿物油乳状液插层剂、聚硅氧烷中的至少一种。

进一步的，所述鳞片石墨粉、插层助剂和剥离助剂的质量比100：(1～5)：(0.5～1)；

所述鳞片石墨粉与所述二氧化碳气体的比例为1g/(30～50)mL。