基于离子液晶剥离石墨制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离子液晶剥离石墨制备石墨烯的方法，该方法是将离子液晶与石墨依次经过研磨、微波、超声和热处理，最后高速离心分离得到石墨烯。本发明专利技术能够制备出稳定分散浓度高、微米级、无缺陷、单层或少层的高质量石墨烯，同时制备简单、成本低和工艺环保，能长时间稳定保存石墨烯分散液，且后续加工成膜容易。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，该方法是将离子液晶与石墨依次经过研磨、微波、超声和热处理，最后高速离心分离得到石墨烯。本专利技术能够制备出稳定分散浓度高、微米级、无缺陷、单层或少层的高质量石墨烯，同时制备简单、成本低和工艺环保，能长时间稳定保存石墨烯分散液，且后续加工成膜容易。【专利说明】
本专利技术涉及一种石墨烯制备方法，具体地指一种基于离子液晶剥离石墨制备石墨 烯的方法。
技术介绍
石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成蜂窝状的自由态二维碳原子晶体， 是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管和三维体相石墨sp2杂化碳的基本结构单元 (Scien Ce2008, 321，385)。石墨烯的独特结构赋予其优异的电、光、热和力学等性能 (Nature2005, 438, 168)，在锂离子电池、超级电容器和太阳能电池的电极材料、储氢材料、 光电器件、传感器以及导热、导电和机械增强纳米复合材料等领域广受关注，成为当前碳 质材料和新材料的研究热点（Nature2012, 490, 192)。目前制备石墨烯的方法包括机械剥 离石墨法、液相剥离石墨法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法、碳纳米管"开 链"法和化学氧化 -还原法等（Nature Nanotechnology2009, 4,217 ;Advanced Functional Materials2009, 19, 3680)。 机械剥离石墨法可以得到结构规整、无缺陷的石墨烯，但其产率极 低（Science2004, 306, 666)。外延生长法难以获得大面积、厚度均一的石墨 烯（Science2006, 312, 1191)，有机合成法所得石墨烯的表面电阻仍较高（Nature Nanotechnology2009, 4, 30)，碳纳米管"开链"法产率也不高（Nature2009, 458, 872)。 化学气相沉积法可以规模化制备大面积、高质量的石墨烯，但成本较高，工艺复杂 (Science2009, 324, 1312)。化学氧化-还原法所得的石墨烯存在大量结构缺陷， 其性能被削弱，同时还原后石墨烯片因范德华力作用易聚集，后续难以再分散加工 (Carbon2012, 50, 3210)。液相剥离石墨能够产生高质量的石墨烯，但其片层尺寸较小，产率 也较低（Nature Nanotechnology2008, 3, 563)，其原因在于普通溶剂本身对石墨的剥离能 力有限，同时剥离产生的石墨烯片在溶剂中易再聚集，且普通溶剂的热稳定性和沸点较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有石墨烯制备方法存在大量结构缺陷、易于团聚或成本 高、产率低、尺寸小等问题，提供一种，能够制备 出稳定分散浓度高、微米级、无缺陷、单层或少层的高质量石墨烯，同时制备简单、成本低和 工艺环保，能长时间稳定保存石墨烯分散液，且后续加工成膜容易。 为实现上述目的，本专利技术所设计的，包 括以下步骤： (1)将离子液晶与石墨按质量比10?100:1混合，研磨0. 5?5h使两者混合均 匀，再微波处理，促使离子液晶插层石墨，得到体积膨胀的石墨-离子液晶混合物； (2)将石墨-离子液晶混合物加热至90?150°C，再搅拌1?24h，然后利用超声 波处理直至石墨均匀分散到离子液晶中，得到黑色的粘稠混合物； (3)将粘稠混合物置于180?240°C的高温下0. 5?4h，得到黑色的混合液； (4)将混合液用2?5倍体积的与离子液晶相容的有机溶剂稀释，再利用超声波处 理使离子液晶从石墨上脱离，静置1?12h，然后离心使脱离的离子液晶沉淀，收集上层黑 色的分散液； (5)将分散液采用微孔滤膜过滤，滤去离子液晶，再用与离子液晶相容的有机溶剂 反复洗涤数次，洗去残余的离子液晶，收集的黑色产物即为石墨烯。 优选地，所述离子液晶为烷基咪唑盐离子液晶。 更优选地，所述离子液晶为1-十二烷基-3-甲基咪唑盐离子液晶、1-十四烷 基-3-甲基咪唑盐离子液晶、1-十六烷基-3-甲基咪唑盐离子液晶、1-十八烷基-3-甲基 咪唑盐离子液晶、1-十二烷基-2, 3-二甲基咪唑盐离子液晶、1-十四烷基-2, 3-二甲基咪 唑盐离子液晶、1-十六烷基-2, 3-二甲基咪唑盐离子液晶、1-十八烷基-2, 3-二甲基咪唑 盐离子液晶。 优选地，所述石墨为天然石墨或膨胀石墨。 优选地，所述步骤（1)中微波处理的功率为500?1000W，时间为10?60s。 优选地，所述步骤（2)中超声波处理的功率为80?160W，时间为0· 5?6h。 优选地，所述步骤（4)中离心的转速为5000?lOOOOrpm，时间为15?45min。 优选地，所述步骤（4)中超声波处理的功率为80?160W，时间为15?60min。 优选地，所述与离子液晶相容的有机溶剂为N，N_二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮或 N-甲基吡咯烷酮。 优选地，所述步骤（5)中微孔滤膜的孔径大于0.22 μ m。 本专利技术提供一种咪唑盐类热致离子液晶辅助液相剥离、微波处理石墨制备石墨烯 的方法。咪唑类离子液晶兼具液晶和离子液体的性质（Chemical ReVieWs2005, 105, 4148)， 结合了晶体的取向有序性和液体的流动性，具有低蒸汽压、低毒性、宽液相温度和高热稳定 性，且易回收再利用（Chemical ReViews2008, 108, 206)，同时咪唑类离子液体极性强，是强 微波吸收剂，这些突出特点和优势为液晶剥离石墨制备石墨烯开启新的有效途径。 本专利技术的有益效果：本专利技术技术通过热致离子液晶为媒介剥离石墨，利用液晶升 温至清亮点以上形成各向同性的低粘度液体，结合微波、超声的"外场"作用和液晶-石墨 之间的离子-mi "内场"共轭作用，"内夕卜"合力促进液晶分子嵌入、插层录IJ离得至IJ微 米级的高质量石墨烯，克服了氧化石墨烯还原不完全和有机溶剂剥离产生石墨烯片层偏小 的问题。同时，当降温至清亮点以下形成各向异性的粘度增加的液晶时，剥离产生的石墨烯 片因受粘滞阻力和分子局部排列的空间限位难以聚集，形成高浓度的石墨烯稳定分散液， 加入有机溶剂破坏液晶态后，石墨烯分散液易于通过离心、过滤分离，或直接采用溶液加工 法构筑石墨烯薄膜材料。本专利技术充分利用咪唑盐类离子液晶集成液晶、绿色溶剂和强微波 吸收的特点，为商效剥尚石墨、商浓度稳定石墨稀以及制备商质量石墨稀提供重要的新方 法。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术实施例1制备过程中石墨烯/离子液晶的黑色分散液的光学照片。 图2为本专利技术实施例3制备过程中石墨烯/离子液晶的黑色分散液的光学照片。 图3为本专利技术实施例4制备过程中石墨烯/离子液晶的黑色分散液的光学照片。 图4为本专利技术实施例1所制备的石墨烯的透射电镜图像。 图5为本专利技术实施例1所制备的单层石墨烯的选区电子衍射图。 图6为本专利技术实施例1所制备的单层石墨烯的扫描电镜图像。 图7为本专利技术实施例1所制备的石墨烯纸截面的扫描电镜图像。 【具体实施方式】 以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。 实施例1 制备石墨烯产品本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离子液晶剥离石墨制备石墨烯的方法，包括以下步骤：(1)将离子液晶与石墨按质量比10～100:1混合，研磨0.5～5h使两者混合均匀，再微波处理，促使离子液晶插层石墨，得到体积膨胀的石墨‑离子液晶混合物；(2)将石墨‑离子液晶混合物加热至90～150℃，再搅拌1～24h，然后利用超声波处理直至石墨均匀分散到离子液晶中，得到黑色的粘稠混合物；(3)将粘稠混合物置于180～240℃的高温下0.5～4h，得到黑色的混合液；(4)将混合液用2～5倍体积的与离子液晶相容的有机溶剂稀释，再利用超声波处理使离子液晶从石墨上脱离，静置1～12h，然后离心使脱离的离子液晶沉淀，收集上层黑色的分散液；(5)将分散液采用微孔滤膜过滤，滤去离子液晶，再用与离子液晶相容的有机溶剂反复洗涤数次，洗去残余的离子液晶，收集的黑色产物即为石墨烯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨应奎，王媛珍，孙珊，董晓利，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42