一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法技术

一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法涉及石墨烯材料技术领域，解决了常规物理剥离法成本高，不易大规模生产的问题；具体步骤包括：纯水初步浸润、第一次高能超声初步剥离、加入SiC球磨，之后进行第二次高能催化进行剥离，气流分级对石墨烯薄片进行分级并喷雾干燥后得到石墨烯；本发明专利技术通过浸润、超声、SiC球磨、表面活性剂以及二次高能超声，将石墨烯逐层剥离，并且过程温和，基本上没有出现破碎和磨损现象，制备的石墨烯晶格结构完整，通过物理剥离法加工完成，石墨烯薄片是以完全粉状形式存在，贮存和使用环境不会受到限制，并且工业化生产成本较低，便于石墨烯更广泛的应用于各行各业。

Preparation of graphene by high energy catalytic physical stripping

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法
本专利技术属于石墨烯材料
，具体涉及一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法。
技术介绍
自从英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆（AndreK.Geim）等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。石墨烯被喻为材料科学与凝聚态物理领域正在升起的“新星”，它所具有的许多新颖而独特的性质与潜在的应用正吸引了诸多科技工作者。石墨烯具有大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数。目前石墨烯的制备方法主要包括：1）微机械剥离法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来，比如中国专利申请CN101817516A公开了机械剥离制备石墨烯或氧化石墨烯的方法，利用固体颗粒和液体工作介质（或气体工作介质）采用机械剥离碳素材料后分离，获得石墨烯或氧化石墨烯，所述碳素材料为石墨粉、膨胀石墨、可膨胀石墨或氧化石墨粉；这种方法简便，但只能产生数量极为有限的石墨烯片。2）超高真空石墨烯外延生长法，即在超高真空和高温环境下从碳化硅或金属等表面外延生长石墨烯，比如中国专利申请CN101798706A公开了一种新型半导体薄膜材料石墨烯在碳化硅(SiC)基底上外延生长，这种石墨烯在电子束轰击下，强制形核并可控生长，石墨烯的层数可以控制在6层以下，生成区域的平均直径可达厘米量级；这种方法的成本高且小圆片的结构限制了其应用。3）氧化-还原法，整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨剥离产生石墨烯氧化物，再通过化学或热还原为石墨烯，比如中国专利申请CN103342904A公开了一种钛酸酯偶联剂修饰法制备水溶性石墨烯的方法，通过氧化法得到氧化石墨烯，还原得到石墨烯的同时接上钛酸酯偶联剂，得到的改性石墨烯可以稳定的分散在水中，并且通过钛酸酯偶联剂的桥连作用，此方法合成过程繁琐且合成的石墨烯容易产生缺陷。4）化学气相沉积法（CVD），即利用甲烷等含碳化合物作为碳源，通过其在基体表面的高温分解生长制备石墨烯，比如中国专利申请CN103409728A公开了一种化学气相沉积制备石墨烯的方法，包括以下步骤：将衬底钴镍合金用质量分数为75%的乙醇溶液清洗三次，在50℃～80℃下烘干；将钴镍合金衬底放入石英炉中，加热温度至880℃～890℃，通氦气，氦气流速为50sccm；保持温度在880℃～890℃下向石英炉中均匀加入乙苯；将石英炉降温到室温，取出样品；将样品进行超声处理，超声处理功率为800w，时间为60～90min，获得石墨烯；此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。5）溶剂剥离法，即将石墨粉末氧化并在溶剂中剥离，再还原得到石墨烯，此方法缺点是产率很低，限制它的大规模制备应用。但是现有技术能工业化生产的方法主要还是通过CVD（化学气相沉积法）来实现，通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71％能量转换效率；与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2％，缺点是生产难度高，生产成本高，很难让石墨烯应用普极开来，研究低成本物理方法生产石墨烯工艺，具有革命性的意义。使用胶带反复粘撕得到石墨烯，到摩擦法，再到CVD法，都存在要么效率低下，要么生产成本高昂，不利于石墨烯应用的普及。因此，规模化制备高质量的少层石墨烯材料是亟需解决的一大难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是在现有技术的基础上，提供了一种利用SiC颗粒和高能超声相结合通过物理剥离制备少层石墨烯的制备方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的。一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法，包括以下步骤：1）采用水浸泡膨胀石墨，进行润湿浸泡处理。2）将步骤1）中润湿浸泡处理后的膨胀石墨进行第一次高能超声处理，所述的超声功率为1-3kW，得到石墨浸泡液。3）将步骤2）中的石墨浸泡液加入质量分数为2-5%的SiC和3-5%的表面活性剂在惰性气体的保护下进行球磨剥离；之后进行第二次高能超声处理，得到石墨烯分散液。4）将步骤3）处理得到的石墨烯分散液在惰性气体保护下通过气流分级分离出石墨烯薄片，喷雾干燥后得到石墨烯。优选的，所述的水为超纯水，选用的超纯水的电导率为18.25MΩ.cm。优选的，所述浸泡的水的体积与膨胀石墨的质量比为3-5ml:1g，润湿浸泡处理的时间为10-24h。优选的，所述第一次高能超声处理的时间为30-60s。优选的，所述球磨的温度为120-150℃，球磨剥离时间为24-48h。优选的，所述的第二次高能超声处理的超声功率为1-1.5kW，超声处理的时间为30-60s。优选的，所述惰性气体保护是在含氧量低于0.5％体积的氮气氛围中，氮气保护压力为5-10KPa。优选的，所述的SiC为粉末状，所述的活性剂为非离子活性剂。优选的，所述的喷雾干燥的干燥温度为180-200℃。优选的，所述的膨胀石墨为高碳含量膨胀石墨，其膨胀度为250倍，碳含量是99.99％。本专利技术采用液态水对膨胀石墨进行润湿浸泡，操作更为温和，不会对石墨烯晶格的完整性造成破坏，生产过程节能环保；在浸泡后，膨胀石墨间的结构被撑开，但层与层之间还存在连接键，采用快速的第一次高能超声处理，声流的速度能促进石墨烯片层的剥离，同时声流在浸泡液中形成的旋涡对固体颗粒进行搅拌，使其难以成团，防止在石墨烯片层之间形成的少量氢键的结合作用。通过加入SiC粉末进行球磨，利用SiC颗粒与石墨的相似性，一方面与鳞片状石墨之间可以产生摩擦压延和相对运动，得到石墨烯薄层，同时可以避免SiC与石墨烯结合，使得剥离得更薄，单层率高，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，在不断球磨的过程中，SiC颗粒与鳞片状石墨多次撞击，不断剥离出一层或多层的石墨烯，在表面活性剂的催化性能下，通过第二次高能超声处理，这次降低超声功率，对于已经剥离出的多层石墨烯进一步剥离，再次剥离成单层或双层石墨烯薄片。本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为。本专利技术通过浸润、高能超声、SiC球磨以及表面活性剂存在条件下的二次高能超声，将石墨烯逐层剥离，并且过程温和，基本上没有出现破碎和磨损现象，制备的石墨烯晶格结构完整，与现有的石墨烯生产工艺完全不同，是通过物理剥离法加工完成，石墨烯薄片是以完全粉状形式存在，贮存和使用环境不会受到限制，并且工业化生产成本较低，便于石墨烯更广泛的应用于各行各业。具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合实施例详细说明本专利技术的技术方案，但保护范围不被此限制。实施例1一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法，包括以下步骤：1）将100g高纯度高碳含量膨胀石墨加入300ml超纯水中浸泡20小时，进行初步润湿浸泡处理；2）将步骤1）中润湿浸泡处理后的膨胀石墨进行第一次高能超声处理，所述的超声功率为2kW，得到石墨浸泡液。3）将步骤2）中的石墨浸泡液加入质量分数为2g的SiC和3g的脂肪酸甘油酯在0.3％体积的氮气氛围中的保护下进行球磨剥离；球磨的温度为150℃，球磨剥离时间为36h，之后进行第二次高能超声处理，第二次高能超声处理的超声功率为1kW本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）采用水浸泡膨胀石墨，进行润湿浸泡处理；2）将步骤1）中润湿浸泡处理后的膨胀石墨进行第一次高能超声处理，所述的超声功率为1‑3kW，得到石墨浸泡液；3）将步骤2）中的石墨浸泡液加入质量分数为2‑5%的SiC和3‑5%的表面活性剂在惰性气体的保护下进行球磨剥离；之后进行第二次高能超声处理，得到石墨烯分散液；4）将步骤3）处理得到的石墨烯分散液在惰性气体保护下通过气流分级分离出石墨烯薄片，喷雾干燥后得到石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）采用水浸泡膨胀石墨，进行润湿浸泡处理；2）将步骤1）中润湿浸泡处理后的膨胀石墨进行第一次高能超声处理，所述的超声功率为1-3kW，得到石墨浸泡液；3）将步骤2）中的石墨浸泡液加入质量分数为2-5%的SiC和3-5%的表面活性剂在惰性气体的保护下进行球磨剥离；之后进行第二次高能超声处理，得到石墨烯分散液；4）将步骤3）处理得到的石墨烯分散液在惰性气体保护下通过气流分级分离出石墨烯薄片，喷雾干燥后得到石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法，其特征在于，所述的水为超纯水，选用的超纯水的电导率为18.25MΩ.cm。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法，其特征在于，所述浸泡的水的体积与膨胀石墨的质量比为3-5ml:1g，润湿浸泡处理的时间为10-24h。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯高能催化物理剥离制备方法，其特征在于，所述第一次高能超声处...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋嘉伟，陈永忠，
申请(专利权)人：大同墨西科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：山西,14