石墨烯的制备方法和石墨烯技术

本发明专利技术属于纳米材料技术领域，涉及石墨烯的制备方法和石墨烯。本发明专利技术提供的石墨烯的制备方法，通过三阶剥离方式制备获得石墨烯，所述三阶剥离依次为一阶石墨机械剥离和插层、二阶溶液膨胀剥离和三阶超声剥离。一阶石墨机械剥离和插层，将石墨和插层介质混合，通过机械方式，将石墨进行一定程度的剥离和插层，得到石墨烯前驱体；二阶溶液膨胀法剥离，将石墨烯前驱体加入至强酸溶液中，将石墨烯分离，并将带有缺陷的石墨烯层间进一步打开，得到活性石墨烯分散液；三阶超声剥离，将活性石墨烯分散液进一步超声剥离，得到片层厚度小、层数少的石墨烯分散液。本发明专利技术工艺简单，条件温和，成本低，制备的石墨烯片层薄、缺陷少、品质高。

Preparation of graphene and Shi Moxi

The invention belongs to the technical field of nanometer materials, and relates to the preparation method of graphene and graphene. The preparation method of graphene provided by the invention is made of graphene by three order stripping mode. The three order peeling is in turn the first order graphite mechanical peeling and intercalation, the two order solution expansion peeling and the three order ultrasonic stripping. The first order graphite is mechanically stripped and intercalated, and graphite and intercalation medium are mixed. By mechanical way, graphite is stripped and intercalated to get the precursor of graphene. The two order solution expansion method is stripped, the precursor of graphene is added to the strong acid solution, and Shi Moxi is separated and the flawed graphene layer is made. The active graphene dispersions were further opened and the three order ultrasonic stripping was used to dissection the active graphene dispersions, and the graphene dispersions with small layer thickness and few layers were obtained. The invention has simple process, mild conditions and low cost, and the prepared graphene sheet has thin lamination, few defects and high quality.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯的制备方法和石墨烯
本专利技术属于纳米材料
，涉及石墨烯材料，具体涉及石墨烯的制备方法和石墨烯。
技术介绍
石墨烯在电学、光学、力学等方面具有优异的性能，因而其应用领域相当广泛。许多科研工作者在各个领域都开展了一系列的研究工作，但在研究或实际应用过程中，石墨烯发挥出的性能却大打折扣。究其缘由，其一使用的石墨烯存在缺陷多，其实际性能与理论性能相差较大；其二石墨烯与其他材料的兼容性差，在制成产品过程中，性能不能完全发挥。无论石墨烯是缺陷多，还是兼容性差，这些都会限制石墨烯的发展，不利于下游应用的的开发。要解决缺陷多，兼容性差等难题，工艺问题不容忽视。从石墨烯工业应用来讲，能大规模实现工业化应用的生产工艺有两种。传统的CVD法，即化学气相沉积法，该方法可以生长大面积的单层石墨烯薄膜，制备的产品纯度高、品质好，但是价格昂贵，主要应用于薄膜材料和半导体等领域。另一种方法是插层剥离石墨法，包括化学法、球磨法、液相超声剥离法等。其中化学法包括化学还原法和化学氧化法，化学还原法是一套成熟的工艺，也是宏量制备石墨烯最为常用的工艺；但化学还原法使用大量的强酸、强氧化性的物质，对环境有较大的污染，且存在一定的安全问题。化学氧化法在石墨烯表面制造了许多缺陷，因而石墨烯的性能跟理论相差较大。球磨剥离制备的石墨烯成本低，可以规模化，但石墨烯品质一般。超声剥离法制备的石墨烯缺陷少，但是产率低。综上所述，现有的石墨烯制备方法都有各自的优劣势，单一的工艺较难同时满足高品质、低成本、量产化等的要求。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种石墨烯的制备方法，采用三阶剥离的方式，可以达到优势互补，扬长避短，在保证产品品质的同时，提高生产效率，降低成本，最终制备得到低缺陷、少层、高品质石墨烯。本专利技术的第二目的在于提供一种石墨烯，通过本专利技术方法制备得到的石墨烯，具有片层薄、缺陷少、品质高的特点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供一种石墨烯的制备方法，所述方法通过三阶剥离方式制备获得石墨烯，所述三阶剥离依次为一阶石墨机械剥离和插层、二阶溶液膨胀剥离和三阶超声剥离。作为进一步优选技术方案，所述一阶石墨机械剥离和插层包括：将石墨粉与插层剂混合均匀后，采用机械研磨方式，得到混合前驱体。作为进一步优选技术方案，所述石墨粉包括鳞片石墨、膨胀石墨、土状石墨和人造石墨中的至少一种，石墨粉的尺寸为32～10000目；优选地，所述插层剂为钠盐，优选包括碳酸钠、碳酸氢钠、亚硫酸钠和亚硫酸氢钠中的至少一种；优选地，所述石墨粉与插层剂的质量比为1：5～1：100。作为进一步优选技术方案，所述机械研磨方式采用卧式研磨、行星式研磨或高能球磨中的至少一种，机械研磨的时间优选为0.5～100h。作为进一步优选技术方案，所述二阶溶液膨胀剥离包括：在一定浓度的酸性溶液中加入十二烷基苯磺酸钠，得到混合液；将一阶石墨机械剥离的产物缓慢加入至所述混合液中，反生反应后，得到石墨烯分散液。作为进一步优选技术方案，所述酸性溶液为强酸性溶液，优选包括盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的至少一种，酸性溶液的浓度优选为1～6mol/L；优选地，所述十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.5～2g。作为进一步优选技术方案，所述三阶超声剥离包括：向二阶溶液膨胀剥离的产物中加入分散剂，搅拌均匀后，超声剥离，得到三阶剥离产物；优选地，还包括将所述三阶剥离产物进行洗涤、分离和干燥得到石墨烯粉体的步骤。作为进一步优选技术方案，所述分散剂包括十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇中的至少一种，分散剂的质量浓度优选为0.1％～20％。作为进一步优选技术方案，超声时间为30～1200min，超声功率为50～5000W。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术还提供一种石墨烯，由上述的石墨烯的制备方法制得。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术所述方法，采用三阶剥离的方式，依次为一阶机械剥离和插层，将石墨剥离成薄片，防止薄片堆叠，且在薄片边缘和缺陷进行部分插层处理；二阶溶液膨胀剥离，可以增加石墨边缘和缺陷处的层间距，提供大量剥离活性缺口，降低范德华力；三阶超声剥离，能从活性缺口突破，有效剥离出少层石墨烯；进而经过三阶剥离方式，优势互补，发挥各阶剥离方式的优势，大大提高剥离效率，并制备得到片层薄、缺陷少、品质高的石墨烯。2、本专利技术采用了独特的溶液膨胀剥离，克服层间范德华力，增加层间距，对石墨烯进行无损活性改造，最终制得的高品质石墨烯可以在十层以内。3、本专利技术方法新颖独特、制备工艺简单、条件温和、成本低，环境友好，适用于工业化大规模生产。4、本专利技术的石墨烯可广泛应用于锂离子电池、超级电容器、功能复合材料等领域。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的三阶剥离过程示意图；图2为本专利技术实施例1制得的石墨烯的TEM图(TransmissionElectronMicroscope，透射电子显微镜)；图3为本专利技术实施例1制得的石墨烯的XPS图(X－rayPhotoelectronSpectroscopy，X射线光电子能谱)。具体实施方式下面将结合实施方式和实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。第一方面，在一些实施例中提供一种石墨烯的制备方法，所述方法通过三阶剥离方式制备获得石墨烯，所述三阶剥离依次为一阶石墨机械剥离和插层、二阶溶液膨胀剥离和三阶超声剥离。石墨机械剥离和插层可以采用球磨工艺，存在剥离和粉碎两种效果，能有效将石墨剥离成薄层石墨，甚至石墨烯。其特点有：1、存在剪切和粉碎两种作用力，石墨的尺寸和厚度均会减小。2、能高效碎粉、剥离片大且厚的石墨，但是尺寸小到一定程度、层数小到一定程度，其效果大打折扣，因而更加适合大片的剥离和粉碎。3、能适合大规模宏量制备，但是对粉体的结构有微量的破坏，能制造一部分的结构缺陷，这部分缺陷经过活化后，能制造活性位缺口。4、存在逆过程，在球磨过程中，已经粉碎的或剥离的石墨片会重新叠积，造成逆剥离和碎粉。5、球磨过程中，在片片之间会存在插层效果，缺陷处会被研磨介质填充，相比化学插层，该法更适应于一些难插层的物质，如可溶性盐、高分子等。溶液膨胀剥离是本专利技术中新的剥离方法，在溶液中，插层化学物发生剧烈的化学反应，产生瞬间膨胀力，从而对石墨进行剥离。其特点有：1、插层化合物能与溶液反应，且能产生膨胀作用力，才能使用该方法剥离，常规的化学插层石墨不适应该方法。2、插层化合物与溶液反应剧烈，局部的膨胀力巨大，局部层间距增加明显。但随着层间距的增大，膨胀力大大减弱，因而剥离范围有限本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述方法通过三阶剥离方式制备获得石墨烯，所述三阶剥离依次为一阶石墨机械剥离和插层、二阶溶液膨胀剥离和三阶超声剥离。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述方法通过三阶剥离方式制备获得石墨烯，所述三阶剥离依次为一阶石墨机械剥离和插层、二阶溶液膨胀剥离和三阶超声剥离。2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述一阶石墨机械剥离和插层包括：将石墨粉与插层剂混合均匀后，采用机械研磨方式，得到混合前驱体。3.根据权利要求2所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述石墨粉包括鳞片石墨、膨胀石墨、土状石墨和人造石墨中的至少一种，石墨粉的尺寸为32～10000目；优选地，所述插层剂为钠盐，优选包括碳酸钠、碳酸氢钠、亚硫酸钠和亚硫酸氢钠中的至少一种；优选地，所述石墨粉与插层剂的质量比为1：5～1：100。4.根据权利要求2所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述机械研磨方式采用卧式研磨、行星式研磨或高能球磨中的至少一种，机械研磨的时间优选为0.5～100h。5.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述二阶溶液膨胀剥离包括：在一定浓度的酸性溶液中加入十二烷基苯磺酸钠，得到混...

【专利技术属性】
技术研发人员：王良多，陈武峰，张晓平，
申请(专利权)人：昂星新型碳材料常州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32