[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种制备石墨烯的方法，属于纳米材料技术领域。石墨烯还原程度不够好，提纯困难，分散困难，限制了石墨烯的应用。本发明首先在化学还原的基础上，进一步使用电化学还原对氧化石墨烯深度还原，提高了石墨烯的还原程度。随后添加分散剂与石墨烯溶液反应，通过反应产物保持石墨烯均匀分散在溶液中，避免了石墨烯的团聚。然后通过不同溶剂过滤，除去了各类杂质，并使得石墨烯均匀分散在各种溶剂中。最后使用电渗析电解的方法，除去石墨烯溶液（有机溶剂体系）中的残余水分，得到除去水分后在有机溶剂中均匀分散的石墨烯溶液。本发明工艺简单，可重复性高，有应用价值，具有推广的可能性。

技术领域

本发明属于新材料制备技术领域，更具体讲，提供一种制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积组成的单层二维材料。碳原子有4个价电子，其中3个电子以sp²杂化形成σ键，通过σ键与其他三个碳原子连接成六边形结构，第4个未成键电子与平面垂直形成π键。基于独特的晶体结构，石墨烯具体优良的光学、热学、电学、磁学和力学特性，如超强的机械性能、极高的载流子迁移率、极高的导热性能、良好的电磁屏蔽性能、良好的光学特性等。

虽然石墨烯具有诸多优良特性，但四个主要困难阻碍了石墨烯规模化应用。困难一，如何提高石墨烯的还原程度；困难二，石墨烯如何均匀分散在溶剂中；困难三，制备的石墨烯如何提纯；困难四，部分下游应用需要严格控制水分含量，如何除去石墨烯制备过程中引入的水分。

目前通常采用氧化石墨法大规模生产氧化石墨烯，再对氧化石墨烯进行还原得到石墨烯。使用化学试剂还原的石墨烯，只能除去部分含氧官能团，恢复部分结构，恢复部分性能，还原效果不够好。

石墨烯难以分散在溶剂中的原因在于，碳原子间的π-π相互作用以及片层间的范德华作用力，使得石墨烯容易团聚，很难分散，这是石墨烯的固有性质。纯净的石墨烯易于团聚，导致很多在纳米尺度上表现优异的性能随着石墨烯片层的团聚而显著降低甚至消失。石墨烯疏水疏油的特性使其不能分散在水中，也不能广泛地分散在各种有机溶剂中，只能少量不稳定地分散在部分有机溶剂中，极大地限制了应用。因此研发均匀分散的石墨烯溶液具有重要意义，是促进石墨烯应用与发展的重要条件。

在石墨烯的制备过程中会引入大量杂质，残留的杂质会降低石墨烯的品质，严重影响石墨烯的应用，提纯困难一直是阻碍石墨烯应用的重大困难。制备石墨烯时，通常利用石墨粉、硫酸、硝酸盐、氯酸盐、高锰酸钾、盐酸、磷酸等试剂生产氧化石墨烯，氧化石墨烯再经过还原得到石墨烯，不可避免地在石墨烯中引入钠、钾、锰、硫、氮、氯、磷等杂质元素，以及大量的残余还原剂。很多下游应用对石墨烯的纯度要求很高，需要严格控制石墨烯中的杂质含量，因此提纯至关重要。

现有的提纯方式多为在氧化石墨烯生产阶段，通过透析、离心、抽滤、沉淀等方式进行提纯。但这些过程均存在各类缺点，包括：成本高、时间长、效果差、设备复杂、残留杂质含量高等。在工业上除去石墨烯中的杂质非常困难，目前还没有行之有效的办法，这是制约石墨烯制备和应用的重要困难。

部分下游应用对石墨烯中水分含量的要求很高，需要严格控制水分含量，例如锂离子电池中的三元正极材料要求水分含量小于500 ppm，磷酸铁锂要求水分含量小于1000ppm，硬碳要求水分含量小于1000 ppm。使用石墨烯溶液（有机溶剂体系）作为锂离子电池导电剂，需要除去石墨烯溶液（有机溶剂体系）中的残余水分，使得水分含量满足锂离子电池的标准。除了锂离子电池之外，很多下游应用也需要严格控制石墨烯溶液（有机溶剂体系）中的水分含量。

因此，在现有技术基础上，本领域技术人员需要研究一种高效、优异、便捷、低成本的石墨烯制备方法，同时做到以下四点：（1）提高石墨烯的还原程度；（2）高效除去石墨烯中的各类杂质；（3）使得石墨烯均匀分散在各类有机溶液中；（4）除去石墨烯溶液（有机溶剂体系）中的残余水分。

发明内容