石墨烯的制备方法及二维纳米材料的剥离方法技术

本申请涉及一种石墨烯的制备方法及二维纳米材料的剥离方法，属于纳米材料技术领域。一种石墨烯的制备方法，包括：将分散有石墨粉的碱溶液与可溶性盐混合反应得到含有助磨剂的混合溶液，助磨剂在混合溶液中为过饱和状态，以使助磨剂部分析出并分散于混合溶液中。对分散有石墨粉和由助磨剂析出的固体颗粒的混合溶液进行搅拌，得到石墨烯分散液。对石墨烯分散液进行水洗、干燥。采用原位生成法制得小粒径的助磨剂，可以均匀进入到石墨层间，高效地将石墨片层剥离开，可以得到小尺寸、层结构均匀的石墨烯。该制备方法为一步法，不需要额外插层，不需要在酸性的条件下进行剥离，可以避免酸对环境和设备的污染及腐蚀，对环境友好。

Preparation of Graphene and Peeling Method of Two-Dimensional Nanomaterials

【技术实现步骤摘要】
石墨烯的制备方法及二维纳米材料的剥离方法
本申请涉及纳米材料
，且特别涉及一种石墨烯的制备方法及二维纳米材料的剥离方法。
技术介绍
目前能够实现规模化制备石墨烯粉体的方法各有特点，也都存在着一定的缺陷。在制备过程中需要用到大量的强氧化剂和强浓酸，对环境不友好；制备能耗较高，制备效率低；制得的石墨烯片层较厚，存在结构缺陷。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的包括提供一种石墨烯的制备方法及二维纳米材料的剥离方法，以改善小尺寸石墨烯的制备工艺复杂的技术问题。第一方面，本申请实施例提出了一种石墨烯的制备方法，包括：将分散有石墨粉的碱溶液与可溶性盐混合反应得到含有助磨剂的混合溶液，助磨剂在混合溶液中为过饱和状态，以使助磨剂部分析出并分散于混合溶液中。对分散有石墨粉和由助磨剂析出的固体颗粒的混合溶液进行搅拌，得到石墨烯分散液。对石墨烯分散液进行水洗、干燥。由于石墨层间距较近，目前很难制得小粒径的物质，使其尺寸能够与石墨层间距相近以对石墨进行剥离。即便通过复杂的工艺制得小颗粒物质，在剥离的过程中，也无法保证小颗粒物质的分散性，无法得到层结构均匀的石墨烯。本申请专利技术人通过研究得出一种石墨烯的制备方法，采用原位生成法使得可溶性盐与石墨片层表面及片层中的碱反应直接生成小粒径的助磨剂。由于该助磨剂在混合溶液中为过饱和状态，即溶解和析出为动态平衡状态，因此可以析出尺寸与石墨层间距0.334nm相近的固体颗粒，并且该动态平衡状态能够保证固体颗粒分散均匀。在搅拌的作用下，固体颗粒可以均匀进入到石墨层间，高效地将石墨片层剥离开，再进行水洗干燥可以得到小尺寸、层结构均匀的石墨烯。该制备方法为一步法，不需要额外插层，可以在不加酸的条件下进行剥离，可以避免酸对环境和设备的污染及腐蚀，对环境友好。在本申请的部分实施例中，助磨剂在0℃的条件下的溶解度为2×10-9-0.2。该溶解性质的助磨剂在制备过程中更易达到过饱和状态，更易在混合溶液中反复溶解析出。在本申请的部分实施例中，可溶性盐包括可溶性无机盐。可选的，可溶性无机盐包括钙盐、铜盐以及铁盐中的至少一种。更可选的，无机盐包括氯化钙、醋酸钙、氯化铜、硫酸铜、氯化铁以及硫酸亚铁中的至少一种。钙盐、铜盐以及铁盐在碱溶液中可以与碱反应生成微溶于水或不易溶于水的助磨剂，该助磨剂尺寸小，在机械搅拌作用下可以对石墨进行剥离。在本申请的部分实施例中，助磨剂为氢氧化钙、碳酸钙、氢氧化铜、碳酸铜、氢氧化铁以及碳酸铁中的至少一种。上述助磨剂可以在溶液中达到溶解和析出的动态平衡状态，在外界高速能量的带动下，可以进入到石墨层间，逐渐将石墨片层剥离开。在本申请的部分实施例中，采用砂磨机对混合溶液砂磨5-7小时。采用砂磨机进行机械搅拌作为一种实现方式，砂磨机具有较好的机械作用，满足剥离石墨片层的作用力。在本申请的部分实施例中，搅拌的步骤包括在2000-20000r/min的条件下机械搅拌5-7h。通过本申请专利技术人的研究，上述条件的机械搅拌可以满足对石墨片层剥离的外作用力要求。在本申请的部分实施例中，碱溶液中碱的质量百分含量为7％-15％，可选的，碱为强碱。碱的添加一方面是为了在碱性环境中搅拌，使得片层发生微卷曲，另一方面，碱与可溶性盐反应生成助磨剂。为了满足石墨片层卷曲要求和得到足量的助磨剂，碱的质量百分含量为7％-15％。在本申请的部分实施例中，分散有石墨粉的碱溶液与可溶性盐混合之前，还包括：对分散有石墨粉的碱溶液砂磨乳化0.5-1.5h。为了使得石墨片层发生微卷曲，片层边缘层间距逐渐增加，一种实现方式是采用砂磨机对分散有石墨粉的碱溶液砂磨乳化0.5-1.5h。在本申请的部分实施例中，石墨粉的粒径不大于8000目。本申请采用的助磨剂的尺寸小，可以对小尺寸的石墨粉进行剥离，进而得到小尺寸石墨烯。第二方面，本申请还提供了一种二维纳米材料的剥离方法，包括：将分散有二维材料的碱溶液与可溶性盐混合反应得到含有助磨剂的混合溶液，助磨剂在混合溶液中为过饱和状态，以使助磨剂部分析出并分散于混合溶液中。对分散有二维材料和由助磨剂析出的固体颗粒的混合溶液进行搅拌。二维材料包括：石墨、BN、MoS2、WSe2、WTe2、MoO3、Fe3GeTe2。该方法采用原位生成法使得可溶性盐与二维材料表面及其结构中的碱反应直接生成小粒径的助磨剂。由于该助磨剂在混合溶液中为过饱和状态，即溶解和析出的动态平衡状态，因此析出的固体颗粒尺寸较小，且该动态平衡状态能够保证固体颗粒分散均匀。在搅拌的作用下，固体颗粒可以均匀进入到二维材料间，高效地将二维材料剥离开。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。图1为本申请实施例提供的石墨烯剥离过程示意图；图2为本申请实施例1提供的石墨烯粉末扫描电镜图；图3为本申请实施例1提供的石墨烯片径扫描电镜图；图4为本申请实施例3提供的石墨烯粉末扫描电镜图；图5为本申请实施例5提供的石墨烯粉末扫描电镜图；图6为本申请实施例6提供的石墨烯粉末扫描电镜图；图7为本申请实施例1提供的石墨烯的XPS碳峰图谱；图8为本申请实施例1提供的石墨烯的拉曼图谱；图9为本申请实施例9提供的氮化硼纳米片粉末扫描电镜图。具体实施方式为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，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。石墨烯因其独特的结构和优异的性能在多个领域获得重大的实际应用。目前能够实现规模化制备石墨烯粉体的方法有：氧化还原法、液相剥离法、气流粉碎法、插层解离法等多种方法，这些方法都存在着一定的缺陷。氧化还原法制备过程中，不可避免需要用到大量的强氧化剂和强浓酸，对环境极其不友好，而且所制备的石墨烯由于强氧化作用，石墨烯片层结构遭到了极大的破坏，导电性和导热性能均迅速下降。液相剥离法机理主要是利用高速剪切的液体将石墨片层打开，制备薄层石墨烯，此种制备方法制备能耗较高，制备效率较低，获得的石墨烯粉末层数极度不均匀。气流粉碎主要是将膨胀石墨加入到气流粉碎机中，利用气流的力量将其剥离开来，这种方法可以获得大量的石墨烯纳米片的粉末，但是原料一般采用已经剥离较为薄的膨胀石墨，并且在强气流的作用下，石墨烯片层虽然可以剥离开，但是也存在着重新堆垛的必然，因此这种方式制备的石墨烯片层通常较厚。插层解离法一般先通过边缘弱氧化将石墨片层打开，然后利用强酸性或者高温高压等手段，将小分子插层剂插入到石墨片层中，形成一种新的石墨烯插层化合物，然后借助小分子的物理化学特性将石墨片层剥离开，最终得到层数相对较薄的石墨烯纳米片，但是化学插层是一个动态过程，这种方法几乎很难剥离尺寸特别小的石墨烯，而且就此种方法而言，需要氧化才能插层，插层剂一般为强酸或金属卤化物，对环境都不太友好；并且插层后形成石墨烯插层化合物这一新的物质，插层和解理通常是需要分步、在不同的化学条件下进行，过程较为复杂。目前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：将分散有石墨粉的碱溶液与可溶性盐混合反应得到含有助磨剂的混合溶液，所述助磨剂在所述混合溶液中为过饱和状态，以使所述助磨剂部分析出并分散于所述混合溶液中；对分散有所述石墨粉和由所述助磨剂析出的固体颗粒的所述混合溶液进行搅拌，得到石墨烯分散液；对所述石墨烯分散液进行水洗、干燥。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：将分散有石墨粉的碱溶液与可溶性盐混合反应得到含有助磨剂的混合溶液，所述助磨剂在所述混合溶液中为过饱和状态，以使所述助磨剂部分析出并分散于所述混合溶液中；对分散有所述石墨粉和由所述助磨剂析出的固体颗粒的所述混合溶液进行搅拌，得到石墨烯分散液；对所述石墨烯分散液进行水洗、干燥。2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述助磨剂在0℃的水中的溶解度为2×10-9-0.2。3.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述可溶性盐包括可溶性无机盐；可选的，所述可溶性无机盐包括钙盐、铜盐以及铁盐中的至少一种；更可选的，所述可溶性无机盐包括氯化钙、醋酸钙、氯化铜、硫酸铜、氯化铁以及硫酸亚铁中的至少一种。4.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述助磨剂为氢氧化钙、碳酸钙、氢氧化铜、碳酸铜、氢氧化铁以及碳酸铁中的至少一种。5.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，采用砂磨机对所述混合溶液砂磨5-7...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉芬，刘朝军，张慧涛，刘兆平，周旭峰，
申请(专利权)人：宁波石墨烯创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33