利用改性超临界剥离技术制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种制备石墨烯的方法，其包括：首先对石墨原料进行纯化处理；之后通过化学层间插入法将离子导入石墨层间，形成石墨层间化合物，使石墨层间模块化；然后进一步通过改性超临界技术，利用超临界流体(如CO2，H2O，甲烷/乙烷/丙烷，乙烯/丙烯，甲醇/乙醇，或氨等等)作用于模块化的石墨材料，超临界流体进入石墨层间，通过优化物理化学参数(如催化剂浓度，温度和压力等等)，实现石墨层的有效剥离。本发明专利技术的方法通过改性超临界技术实现石墨层的剥离，能够批量生产石墨烯。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料制备领域，特别是关于石墨烯的制备方法的改进。
技术介绍
2010年，英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆和康斯坦丁 ·诺沃肖洛夫博士因在石墨 烯方面的卓越研究而分享了诺贝尔物理学奖。基于石墨烯，碳-60，碳纳米管等新型碳基功 能材料的发展，科学界普遍认为“20世纪是硅(Si)的世纪，21世纪将是碳(C)的世纪”。石墨烯具有优良的机电性能，例如电子运动最快石墨烯的电子运动速度达到 了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。最薄、最坚硬的物质美国哥 伦比亚大学James Hone等人最近发现，石墨烯的硬度比钻石还高，强度比世界上最好的钢 铁还要高上100倍。高比表面积比表面积> ^50m2/g。易于修饰及大规模生产等。预计石墨烯项目将引导价值数万亿美元的产业链，带来巨大的规模经济效应。其 应用领域包括锂电池，超级电容器，以及其它储能器件的高能电极材料；纸片般薄的超轻 型飞机材料；超坚韧的防弹衣；“太空电梯”所需要的强韧缆线。石墨烯晶体管，集成电路， 和超级计算机；高频电路；石墨烯光电探测器；石墨烯太阳能电池；石墨烯液晶显示屏，有 机发光二极管(OLED)；高性能的太赫兹光激光器；化学传感器，医疗成像装置等。实现石墨烯的批量生产是整个产业链发展的基石。目前所开发的制备技术包括机 械制备工艺，取向附生法，高温裂解脱Si法，化学气相沉积法，氧化还原法，化学解理法，化 学剥离法等等。但当前现有的技术方法或者难以实现量产，或者存在安全和环境污染等问 题，并进而导致石墨烯成本价格居高不下。因此，有必要提供一种新的石墨烯的制备方法，来改进现有技术的前述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够规模生产石墨烯并且绿色环保的石墨烯制备方 法。为达成前述目的，本专利技术一种石墨烯的制备方法，其包括首先对石墨原料进行纯化处理；通过化学层间插入法将离子导入石墨层间，形成石墨层间化合物，使石墨层间模 块化；通过改性超临界技术，利用超临界流体作用于模块化的石墨材料，使超临界流体 进入石墨层间，优化物理化学参数，实现石墨层的有效剥离。进一步地，所述对石墨原料进行纯化处理包括超声清洗、去除杂相物质和杂质元素。进一步地，所述化学层间插入法插入石墨层间的离子包括有机离子和无机离子。进一步地，所述改性超临界流体为温度及压力均处于临界点以上的液体。进一步地，所述超临界流体包括C02、H2O,甲烧/乙烧/丙烷，乙烯/丙烯，甲醇/乙醇，或氨等等。进一步地，在所述超临界流体中添加有催化剂。进一步地，前述优化物理化学参数包括优化催化剂浓度、调整处理温度以及压力。与现有技术相比，本专利技术的方法利用化学层间插入技术和改性超临界技术优化结 合，所开发的制备工艺可以达到吨级以上的石墨烯生产，满足规模生产和绿色环保的双重 要求。附图说明图1为本专利技术石墨烯制备方法的流程图。图2为本专利技术石墨烯制备过程的石墨层间模型示意图。具体实施方式此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中 的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一 个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。请参阅图1所示，其显示本专利技术的石墨烯的制备方法的流程图。如图所示本专利技术 的石墨烯制备方法，其包括如下步骤步骤Sl 首先对石墨原料进行纯化处理。例如可以将石墨原料放入超声清洗设备 进行超声清洗，去除石墨原料中的杂质，然后可以通过化学处理或其他方式去除掉石墨原 料中的杂相物质和杂质元素。步骤S2 利用化学层间插入方法，将离子21 (包括无机和有机离子)导入前述经 过纯化后的石墨原料的石墨层22之间，使石墨层间模块化。请参阅图2所示，石墨具有层 间结构，同一层的碳原子与SP2杂化轨道电子形成共价键，各个碳原子又与2PZ轨道电子形 成金属键，形成牢固的六角网状平面碳层，而层与层之间则以微弱的范德华力结合，碳层之 间的结合力弱，间距较大，导致多种化学物质可以插入层间空隙，形成石墨层间化合物。目 前已经研究出几百种层间化合物，关于化学层间插入的方法本专利技术不再详细一一列举。步骤S3 利用超临界流体(如C02、H20、甲烧/乙烧/丙烷，乙烯/丙烯，甲醇/乙 醇，或氨等等。)作用于前述利用化学层间插入方法导入离子的模块化的石墨材料，使超临 界流体进入石墨层间，通过优化物理化学参数(例如在超临界流体中加入催化剂，并优化 催化剂浓度，或者调节处理过程中的温度和压力等等)，实现石墨层的有效剥离，从而批量 生产出石墨烯材料。纯净物质要根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化，如果提 高温度和压力，来观察状态的变化，那么会发现，如果达到特定的温度、压力，会出现液体与 气体界面消失的现象该点被称为临界点。超临界流体指的是处于临界点以上温度和压力区 域下的流体，在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流 体的物性发生急剧变化的现象。超临界流体具有十分独特的物理化学性质，它的密度接近于液体，粘度接近于气 体，扩散系数大、粘度小、介电常数大。分离效果较好，是很好的溶剂。目前超临界技术已经 有各种应用，例如超临界流体萃取、超临界流体喷涂、超临界流体发泡、超临界流体清洗、超临界流体制备超细微粒、超临界流体聚合等等。本专利技术的方法利用超临界流体进入石墨层间，然后通过优化物理化学参数能够实 现石墨层的有效剥离。剥离率能够达到90%以上。本专利技术的方法，先对石墨进行纯化处理，然后对石墨层间进行离子导入，再使用超 临界流体作用于石墨，使超临界流体进入石墨层间，通过添加催化剂以及调整优化温度压 力等参数使石墨烯从石墨中剥离。本专利技术的方法利用化学层间插入技术和改性超临界技术 优化结合，所开发的制备工艺可以达到吨级以上的石墨烯生产，满足规模生产和绿色环保 的双重要求。上述说明已经充分揭露了本专利技术的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的 技术人员对本专利技术的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本专利技术的权利要求书的范围。 相应地，本专利技术的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。权利要求1.一种石墨烯的制备方法，其包括 首先对石墨原料进行纯化处理；通过化学层间插入法将离子导入石墨层间，形成石墨层间化合物，使石墨层间模块化；通过改性超临界技术，利用超临界流体作用于模块化的石墨材料，使超临界流体进入 石墨层间，优化物理化学参数，实现石墨层的有效剥离。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述对石墨原料进行纯化处理包括超声清 洗、去除杂相物质和杂质元素。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述化学层间插入法插入石墨层间的离子 包括有机离子和无机离子。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述改性超临界流体为温度及压力均处于 临界点以上的液体。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述超临界流体包括C02、H20、甲烷/乙烷/ 丙烧，乙烯/丙烯，甲醇/乙醇或氨。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述超临界流体中添加有催化剂。7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于前述优化物理化学参数包括优化催化 剂浓度、调整处理温度以及压力。全文摘要本专利技术提供一种制备石墨烯的方法，其包括首先对石墨原料进行纯化处本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种石墨烯的制备方法，其包括：首先对石墨原料进行纯化处理；通过化学层间插入法将离子导入石墨层间，形成石墨层间化合物，使石墨层间模块化；通过改性超临界技术，利用超临界流体作用于模块化的石墨材料，使超临界流体进入石墨层间，优化物理化学参数，实现石墨层的有效剥离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：萧小月，
申请(专利权)人：无锡索垠飞科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32