石墨烯粉体及其制备方法技术

一种制备石墨烯粉体的方法，包括如下步骤：S1：将鳞片石墨进行还原预处理；S2：向预处理后的鳞片石墨中加入锂和液氨；以及S3：所述液氨挥发后，加入水或稀酸并进行超声处理。本发明专利技术的石墨烯粉体制备方法，能够实现石墨烯的高效液相剥离制备，而且生产的石墨烯质量高，应用领域更广。本发明专利技术的制备方法石墨烯的比例效率相较于未经预处理的石墨，提高40％以上。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯粉体及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯的制备
，具体涉及液相剥离获得粉体石墨烯及其制备方法。
技术介绍
石墨烯，作为碳材料中的明星材料，自2004年被英国Geim教授报道以来备受世界关注。因为其优异的电学及热学等性质，因此在很多领域有着广泛的应用前景。正基于此，石墨烯的制备方法一直以来受到各国科学家的强烈关注。目前，获得石墨烯的方法主要分为化学气相沉积法和还原氧化法。一方面，由化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜，品质较高，但该方法需要比较苛刻的条件，比如较高的温度，低压的氛围，金属基底，另外所需要的设备昂贵，单次生长量很小。另一方面，还原氧化法可以实现石墨烯粉体的批量制备，但该过程需要消耗大量的能量，同时对环境产生巨大的破坏，而最为重要的是，其所获得的石墨烯粉体的品质较差，无法表现出石墨烯的本征性质，从而极大限制了其应用领域。
技术实现思路
为克服上述缺陷，本专利技术提供一种制备石墨烯粉体的方法，包括如下步骤：S1：将鳞片石墨进行还原预处理；S2：向预处理后的鳞片石墨中加入锂和液氨；以及S3：所述液氨挥发后，加入水或稀酸并进行超声处理。根据本专利技术的一实施方式，所述还原预处理是以水合肼、硼氢化钠、碘化氢、维生素C和氢气作为还原剂的至少一种还原预处理。根据本专利技术的另一实施方式，所述还原剂与所述鳞片石墨的物质的量之比是1:4-1:2。根据本专利技术的另一实施方式，所述还原剂为氢气进行还原时使用氩气、氪气或氙气作为保护性气氛。根据本专利技术的另一实施方式，所述S2步骤中加入的锂与所述鳞片石墨的物质的量之比是20:1-10:1。根据本专利技术的另一实施方式，所述S3步骤中加入的稀酸是稀盐酸、稀硝酸或稀硫酸。根据本专利技术的另一实施方式，所述的制备方法还包括：S4：所述S3步骤后滤除溶液，并对制备的产物进行洗涤和干燥。根据本专利技术的另一实施方式，所述洗涤采用去离子水，乙醇或丙酮。本专利技术还提供一种由上述方法制备的石墨烯粉体。本专利技术的石墨烯粉体制备方法，能够实现石墨烯的高效液相剥离制备，而且生产的石墨烯质量高，应用领域更广。本专利技术的制备方法石墨烯的比例效率相较于未经预处理的石墨，提高40％以上。附图说明通过参照附图详细描述其示例实施方式，本专利技术的上述和其它特征及优点将变得更加明显。图1是本专利技术预处理鳞片石墨的设计原理；图2是本专利技术插层剥离鳞片石墨的设计原理；图3是实施例1的石墨的XPS图；图4是实施例1的石墨的XPS氧元素分峰图；图5是实施例1的石墨的FT-IR图；图6是实施例1的石墨烯的分散液图；图7是实施例1的石墨烯的紫外吸收光谱图；图8是实施例1的石墨烯的Zeta点位图；图9是实施例1的石墨烯的TEM图；图10是实施例1的石墨烯的HRTEM图；图11是实施例1的石墨烯的SAED图；图12是实施例1的石墨烯的Raman图；图13是实施例1的石墨烯的AFM图；以及图14是实施例1的石墨烯的电学性质图。具体实施方式下面通过具体实施例与附图对本专利技术进行说明，但本专利技术并不局限于此。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本专利技术利用液相剥离方法制备粉体石墨烯，图1和2示出本专利技术的制备方法的设计原理。图1是本专利技术预处理鳞片石墨的设计原理。如图1所示，通过还原剂(还原剂的作用相当于图中的剪刀)能够使得鳞片石墨边缘的含氧官能团发生化学还原反应，最终形成碳氢终止的化学键，以便使得后续金属锂能够更快速有效插层进入石墨层间。图2是本专利技术插层剥离鳞片石墨的设计原理。如图2所示，锂离子插入石墨层间，加入水或稀酸后与锂反应形成的氢气将石墨剥离形成石墨烯。根据上述理论，本专利技术制备石墨烯粉体的方法包括如下步骤：S1：将鳞片石墨进行还原预处理；S2：向预处理后的鳞片石墨中加入锂和液氨；以及S3：液氨挥发后，加入水或稀酸并进行超声处。S3步骤后还可以包括S4：滤除溶液、并对制备的产物进行洗涤和干燥步骤。还原剂可以是水合肼、硼氢化钠、碘化氢、维生素C或氢气等。可以仅只用一种还原剂进行一次还原预处理，也可以利用两种或两种以上的还原剂分别进行还原预处理，例如先用水合肼、硼氢化钠、碘化氢或维生素C等进行还原，然后在氢气气氛下再次还原。采用氢气作为还原剂时可以与惰性气体例如氩气、氪气或氙气，作为保护气体。还原剂与鳞片石墨的物质的量之比可以是1:4-1:2中的任意比例。鳞片石墨经过预处理之后，加入锂金属和液氨，使锂插入石墨层间。加入的锂与鳞片石墨的物质的量可以是20:1-10:1之间的任一比例。液氨挥发完全后，加入水或稀酸。水或稀酸与锂反应产生氢气，氢气将石墨剥离形成石墨烯。稀酸可以是稀盐酸、稀硝酸、稀硫酸等。滤除溶液，对过滤产物进行洗涤时，可以使用去离子水或乙醇，也可以选择其它类化学试剂，如丙酮等。以下实施例用于解释本专利技术的构思，实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1取1g鳞片石墨加入到100ml圆底烧瓶中，然后向其中加入1g的水合肼，加入机械搅拌棒，在90℃水浴环境中反应，1小时后取出，并使用砂芯漏斗进行过滤，将过滤后得到的产物放在60℃的烘箱中进行干燥，24小时后取出。将经过水合肼还原处理过的鳞片石墨，放置于石英舟内，置于管式炉中的石英管内，在氩气和氢气保护下，氩气流速为300sccm，氢气的流速为100sccm，由25℃经过30分钟升至950℃，然后在氩气和氢气保护下，在950℃恒温2小时，接下来关闭管式炉，自然降温，在此期间，仍然采取氩气和氢气保护，直至降至室温,，取出。取上述步骤得到的0.1g的还原鳞片石墨，将其加入到150ml圆底烧瓶中，向其中加入金属锂单质1.16g，向其中引入氨气，将整个装置置于液氮环境中冷却，以使得氨气呈现液态，反应2小时，待氨气挥发完全后，温度恢复至室温，向其中加入1mol·L-1的稀盐酸50ml，超声30min，使用砂芯漏斗进行过滤，将过滤后得到的产物用去离子水冲洗，超声，然后在3000r/min的条件下离心30min，取上清液，过滤干燥，可以得到石墨烯粉体30mg。实施例2除还原剂为1g的硼氢化钠且不进行氢气还原外，其他条件与实施例1相同。实施例3除加入的锂单质为0.58g，还原剂为2.08g的水合肼外，其他条件与实施例1相同。实施例4除了还原剂为1.04g的水合肼且不进行氢气还原外，其他条件与实施例相同。图3示出实施例1的原始鳞片石墨和还原鳞片石墨的XPS结果。可以看到经过还原处理之后，碳氧比由15提高至32，表明有部分的含氧官能团被还原。图4示出实施例1的原始鳞片石墨和还原鳞片石墨的XPS的氧元素分峰结果。可以看到经过还原处理之后，有更多的氧桥键出现，而酯基消失，表明边缘的空间位阻在减小。图5示出实施例1的原始鳞片石墨和还原鳞片石墨的FT-IR图。由图可以看到，经过还原处理之后，在2800cm-1位置出现碳氢的伸缩振动峰，表明有部分边缘碳原子实现氢终止。图6示出实施例1的还原鳞片石墨经过剥离得到的石墨烯分散液图。可以看到，石墨烯分散液能够稳定放置，且在激光下形成光路，表明分散均匀。图7示出实施例1的还原鳞片石墨经过剥离得到的石墨烯分散液的紫外可见光谱图。可以看到，经过还原处理之后，与未经前期还原预处理的鳞片石墨相比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨烯粉体的方法，其特征在于包括如下步骤：S1：将鳞片石墨进行还原预处理；S2：向预处理后的鳞片石墨中加入锂和液氨；以及S3：所述液氨挥发后，加入水或稀酸并进行超声处理。

【技术特征摘要】
1.一种制备石墨烯粉体的方法，其特征在于包括如下步骤：S1：将鳞片石墨进行还原预处理；S2：向预处理后的鳞片石墨中加入锂和液氨；以及S3：所述液氨挥发后，加入水或稀酸并进行超声处理。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原预处理是以水合肼、硼氢化钠、碘化氢、维生素C和氢气作为还原剂的至少一种还原预处理。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂与所述鳞片石墨的物质的量之比是1:4-1:2。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂为氢气进行还原时使用氩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦，杨良伟，孙阳勇，赵福振，
申请(专利权)人：北京大学，北京石墨烯研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11