分散方法技术

本发明专利技术描述了一种用于制备分散的石墨烯的溶液的方法，所述方法包括将在a-b平面上的维度为10μm以下的石墨与包含金属和极性非质子溶剂的电子液体接触；以及可以通过这种方法获得的分散的石墨烯的溶液。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术描述了一种用于制备分散的石墨烯的溶液的方法，所述方法包括将在a-b平面上的维度为10μm以下的石墨与包含金属和极性非质子溶剂的电子液体接触；以及可以通过这种方法获得的分散的石墨烯的溶液。【专利说明】本专利技术涉及分散石墨以制备包含闻浓度的石墨稀，特别是单独的石墨稀片的溶液的方法。石墨是碳的同素异形体，其中原子六边形地结合在一起以形成层。一个原子厚度的石墨的单独的层被称为石墨烯。分离的石墨烯是新的一类2D材料，其是自立的原子薄2D晶体并且对于在很多应用中使用具有极大的潜力，包括纳米电子器件、传感器、超薄涂层、复合材料、电池、超电容器和氢储存。已经在理论上研究了很多年，但是直至2004年才制备出第一个实验样品。然而，已经证明难以大批制备石墨烯。在这点上关键挑战是当放置在液体中时其形成聚集体、卷形物和折叠物的倾向。因此，已经证明非常难以制备平的单独石墨烯片的溶液。至今，所采用的技术包括使用大块石墨通过有效地拉拔或通过用粘合带剥离的微机械剥离(Novoselov等，Science2004, 306,666-669);由烃的化学气相沉积外延生长(Cai等，Nano Lett.，2010，10，1645-1651 和 Li 等，Science2009, 324，1312)以及通过 SiC 的热分解(Berger等，J.Phys.Chem.B, 2004,108，19912-19916)。然而，全部这些方法所伴随的问题是所获得的石墨烯的产率低并且石墨烯难以找到，需要密集劳动和昂贵的工艺。此外，所需方法的属性意味着这种方法不合适用于放大至对于很多广泛应用需要的放大的工业比例，例如，希望操作石墨烯至塑料中以形成复合材料，或形成用于电化学器件的多微孔电极的情况下。 长期已知的是可以将物种插入形成石墨块的层之间，以形成化学独特的三维结构。将这种技术用于制造石墨烯的实例是通过化学剥离。然而，包含酸或其他氧化处理的化学剥离产生官能化的石墨氧化物。虽然可以将石墨氧化物剥离以形成石墨烯氧化物，(Stankovich等，Nature，2006，442，282-286)，其具有比石墨烯低得多的电导率，因为不利地影响了石墨烯的物理和电子结构(Jung等，Nano Lett (2007)，7，3569-3575)。需要另外的步骤以将石墨氧化物转化为石墨烯，以便使得大部分潜在应用成为可能(Stankovich等，碳，2007，45，1558-1565);然而，石墨/石墨烯氧化物的这种还原不完全恢复原始的石墨/石墨烯性质，这归因于晶格中空位和其他缺陷的形成(Stankovich等，碳,2007,45,1558-1565)。用于分散石墨烯的另一种方法石墨粉末在特定有机溶剂，例如，N-甲基-吡咯烧二酮(NMP)中低功率浴声处理30分钟,之后离心分离(Hernandez等，Nature Nan0.(2008)，3，563-568)。该过程产生含具有约0.01mgmr1的总浓度的单和多层石墨烯片的不均匀混合物的分散体。作者描述了单层石墨烯的产率为大约I重量％。还显示的是将石墨与钾-萘溶液混合之后在THF中洗涤并干燥产生石墨夹层化合物，之后可以将其在NMP中分散为低浓度(Valles 等，J.Am.Chem.Soc.(2008)，130，15802-15804)，虽然其被萘污染。因此，对用于制备包含高浓度的未卷起的和未折叠的石墨烯的溶液的简单但有效的方法存在需求，其中该方法可以容易地放大至工业比例。在这点上，本专利技术的专利技术人发现平的、未卷起的和未折叠的、分散的石墨烯的溶液可以通过使用电子液体，在不需要引入有机电荷转移剂的情况下制备。更具体地，本专利技术提供一种用于制备分散的石墨烯的溶液的方法，所述方法包括将在a-b平面上的维度为IOym以下的石墨与包含金属和极性非质子溶剂的电子液体接触。特别是，本专利技术的专利技术人发现，在小心控制石墨原材料的尺寸的情况下，可以使用电子液体将石墨分散为石墨烯。因为多种原因，可以在石墨的领域使用这种技术是出乎意料的。首先，石墨烯是2D结构并且在分别对于ID和2D结构有效的技术之间不存在直接的关联。其次，本领域技术人员公知的是石墨在电子液体中不自发溶解(参见例如，Enoki等，OUP USA (2003 年四月)和 Solin 等，Advances in Physics, 37 (2):87-254,1988) ? 在这点上，本专利技术的专利技术人首先认识到，在将石墨原材料的a-b维度控制为低于特定极限，可以使用电子液体将石墨分散为石墨烯片以制备分散的石墨烯的高浓度溶液。有益地，所制备的石墨烯是非聚集的、未折叠的和未卷起的。这最可能归因于静电效应。在一个实施方案中，石墨原材料的a-b平面在自由表面终止，而不是晶界或其他固态界面。表面终止的化学方法可以不同或有意地变化，虽然氢终止是最常见的。此外，专利技术人发现使用本专利技术的方法，可以通过选择石墨原材料控制所获得的石墨烯的形状和大小。在这点上，专利技术人发现本专利技术的方法的非破坏性性质，特别是不需要大量的声处理或侵蚀性的氧化化学方法，这意味着保持了原材料的形状。例如，如果石墨具有细长的尺寸，那么这些细长的尺寸将保持在所获得的分散的石墨烯中。以这种方式，例如，可以控制石墨烯是否是等轴片、带或其他几何形状的形式。这些形状潜在地有益于有源器件的集成和设计，或复合材料强化性质的优化。再另一方面，本专利技术提供一种分散的石墨烯的溶液，所述溶液包含浓度为至少lmg/ml的石墨稀和溶剂。以如不可能的是获得具有闻浓度的分散的石墨稀的溶液。闻浓度对于进一步操作是需要的，并且当考虑到该方法是否适合于放大时是重要的。进一步的益处是分散的石墨烯的高浓度溶液可以在不需要大量的声处理的情况下制备。在足够高浓度，可以形成有用的有序液体，例如盘状液晶。在再另外的实施方案中，本专利技术提供一种单分散石墨烯的溶液，所述溶液包含至少0.01mg/η?的浓度的单分散单独的石墨烯和溶剂。在另外的实施方案中，本专利技术提供一种单独的单层石墨烯的溶液，所述溶液包含至少0.01mg/ml的浓度的单独的单层石墨烯和溶剂。这里使用术语“单分散”描述这样的溶液，其中溶液内包含的分散的单独石墨烯全部具有基本上相同的尺寸即相同的大小和形状。特别是，使用术语“单分散”描述这样的溶液，其中溶液包含的单独的分散的石墨烯的尺寸具有少于约20%的标准偏差，在一个实施方案中，少于约15%，在另一个实施方案中，少于约10%，在另外的实施方案中，少于约5%。 术语“石墨烯”在本文用于描述可以含有至多并且包括四个单独的层的石墨烯的石墨烯产物。作为本专利技术的方法的结果，将石墨烯分散意味着每个石墨烯，无论它是单层、双层、三层或4-层，都是分开的单独部分。单层石墨烯是最深入研究的焦点，但具有小数目的层的石墨烯具有与彼此和与块状石墨明显不同的特性，并且可以是有实用价值的。本专利技术的方法提供基于金属与碳比率的调节或还原的石墨烯上的电荷的选择性猝灭的新分离方法的范围。备选地，它提供基于已建立的方法如超速离心分离石墨烯的混合物的方法。在本专利技术的方法中，将具有约ΙΟμπι以下的a-b平面上的维度的石墨与电子液体接触。如上所述，本专利技术的专利技术人发现，如果小心地控制石墨原材料的维度，可以使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托夫·霍华德，尼尔·斯基珀，米洛·塞弗，埃米莉·米尔纳，
申请(专利权)人：UCL商业有限公司，
类型：
国别省市：