一种含碱金属的石墨烯制造技术

本发明专利技术提供一种含碱金属的石墨烯，所述含碱金属的石墨烯有1‑10层，平面尺寸为0.1‑500μm，含有少量碱金属或碱金属化合物，碱金属的质量占所述含碱金属的石墨烯质量的0.01‑10％。本发明专利技术还提出所述含碱金属石墨烯在制备锂离子电池中的应用。本发明专利技术提出的含碱金属石墨烯，用导电率高、氧化还原标准电位极低的碱金属和二维石墨成分构成新型的石墨烯材料，其电化学性能被进一步提高，适应于大容量锂离子电池的制造。

【技术实现步骤摘要】
一种含碱金属的石墨烯
本专利技术属于碳材料制备领域，具体涉及一种含碱金属石墨烯。
技术介绍
石墨烯由单层sp2杂化碳原子排列组成，由于优异的物理化学性质而具有广泛应用的材料。其优异的物理化学性质包括独特的二维结构、高导电性和热导率、大比表面积、高杨氏模型以及高化学稳定性等。独特的单层结构、优异的柔韧性和超强的导热导电性能，使的石墨烯在储能、催化、复合材料等领域有着较为广泛的应用。目前石墨烯的生产制备方法主要有自下而上法和自上而下法。自下而上生长法，比如化学气相沉积方法。化学气相沉积制备石墨烯的方法具有制备工艺苛刻、耗能高、效率低、成本高等问题，限制了这种方法制备石墨烯大规模应用的可能。且化学气相沉积制备的石墨烯，尤其是快速生成的石墨烯，由于一般为多相成核制备的石墨烯，所以石墨烯的面内具有大量非sp2杂化碳原子，这极大的影响了石墨烯的导电性。自上而下法，例如液相剥离法和氧化还原法等。从石墨材料出发，采用如超声、剪切等机械手段剥离石墨烯，进一步经过分离或者还原获得石墨烯，这类方法在制备过程中一般需要较高的能量或者产生环境污染的废物。更重要的是，如果采用纯机械剥离很难获得单层的石墨烯，如果采用氧化还原法制备石墨烯具有很多缺陷，且具有大量的含氧官能团残留。因此，针对当前所制备的石墨烯的特点及制备石墨烯的手段，开发低能耗、大规模、环保、高效地石墨烯制备手段，获得新型能发挥其独特二维结构、优异导电特性的石墨烯对实现石墨烯的应用具有重要意义。
技术实现思路
针对当前各种手段所制备的石墨烯存在的不足之处，本专利技术的目的是提出一种含碱金属石墨烯，该石墨烯厚度薄，单层率高，具有含有少量碱金属离子或碱金属化合物，不含含氧管能团，平面缺陷少，导电率高等优点。实现本专利技术目的的技术方案为：一种含碱金属石墨烯，所述含碱金属石墨烯有1-10层，平面尺寸为0.1-500μm，不含含氧官能团，含有少量碱金属或碱金属化合物，碱金属的质量占所述含碱金属石墨烯质量的0.01-10％。优选地，所述含碱金属石墨烯有1-5层，平面尺寸为1-20μm。进一步地，所述含碱金属的石墨烯中氧的含量小于1wt％。其中，所述的含碱金属石墨烯导电率大于300S·cm-1，比表面积大于200m2·g-1。更优选地，所述比表面积为400m2·g-1-2000m2·g-1。其中，所述的碱金属为锂，钠，钾，铷，铯，钫中的一种或多种。本专利技术提出的含碱金属石墨烯，可采用本领域一直的制备方法制备。在此，提出一种优选的制备方案。所述的含碱金属石墨烯，通过以下步骤制备：(1)在惰性环境中，将石墨类原材料和碱金属进行混合，获得混合均匀的石墨类碳材料-碱金属复合材料，并在惰性环境中静置，使发生金属插层反应，直至复合材料由黑色变成金黄色；(2)将所得的复合材料放入能与其发生反应的液态介质中进行反应，去除插层物，经过震荡或剥离、清洗、分离，获得石墨烯材料。其中，步骤(1)所述碱金属为锂、钠、钾中的一种或者多种的合金；所述的石墨类原材料为天然石墨或人造石墨，具体为石墨纸、石墨粉、鳞片石墨、膨胀石墨、球形石墨、高定向热解石墨等中的一种或多种。所述惰性环境为氩气气氛、氦气气氛，在惰性环境中静置至样品变成金黄色，静置时间在10h以上。其中，步骤(2)中，所述的液态介质为水、甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、乙二醇、甲酸、乙酸、丙酸、盐酸中的一种或多种。本专利技术所述含碱金属石墨烯在电池、催化领域的应用，包括但不局限于导电浆料、石墨烯复合电极材料等。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：本专利技术提出的含碱金属石墨烯，具有含氧官能团少，二维结构完整，仅仅含有少量碱金属，因而具有导电性高等优点，适应于锂电池导电浆料、复合电极材料等应用。本专利技术进一步采用了锂或其他高活性碱金属和石墨类碳材料混合发生插层反应来制备本石墨烯材料；其后期石墨烯的制备过程中可以在室温、空气等条件下进行，适合工业化大规模制备石墨烯，给锂离子电池行业提供更有价值的电极材料。附图说明图1为实施例1含碱金属石墨烯的电镜照片。图2为实施例1含碱金属石墨烯的原子力照片。图3为实施例2含碱金属石墨烯的原子力照片。图4为实施例1含碱金属石墨烯的XPS全谱图和各元素的含量表。具体实施方式以下通过具体实施例说明本专利技术的技术方案。应该理解，本专利技术提到的一个或者多个步骤不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法和步骤，或者这些明确提及的步骤间还可以插入其他方法和步骤。还应理解，这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非限制每个方法的排列次序或限定本专利技术的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质
技术实现思路
变更的条件下，亦可视为本专利技术可实施的范畴。实施例中所采用的原料和仪器，对其来源没有特定限制，在市场购买或者按照本领域内技术人员熟知的常规方法制备的即可。实施例1：本实施例的含碱金属石墨烯通过以下方法制备：(1)将天然石墨粉和金属锂在惰性环境氩气中以质量比6:1的比例进行混合，先通过辊压将锂和石墨粉辊压均匀，然后置于氩气环境中10小时，混合物由黑色转变成金黄色，此时石墨发生了锂的一阶插层。(2)将上述金黄色复合材料从惰性环境中取出，放入0.05M的HCl溶液中，石墨间插层的金属锂快速和盐酸和水反应，石墨发生膨胀并被剥离开，分散在稀盐酸中。反应完成后将溶液超声处理一小时，然后用0.05M的稀盐酸和水反复清洗。最后分离、干燥得到石墨烯。所得含碱金属石墨烯平面尺寸大小为1-4微米(如附图1所示)，该石墨烯层厚为1nm左右(如附图2所示)，层数小于5层，含锂量为0.77wt％，含氧为0.32wt％(参见图4)。本含碱金属的石墨烯的导电率约为500S·cm-1，比表面积为600m2·g-1。实施例2：本实施例的含碱金属石墨烯通过以下方法制备：(1)将鳞片石墨和金属锂在惰性环境氩气中以质量比8:1的比例进行混合，先通过辊压将锂和石墨粉辊压均匀，然后置于氩气环境中15小时，混合物由黑色转变成金黄色(之后一直保持为金黄色)，此时石墨发生了锂的一阶插层。(2)将上述金黄色复合材料从惰性环境中取出，放入乙醇中，石墨间插层的金属锂快速和乙醇反应，石墨发生膨胀并被剥离开，分散在乙醇中。反应完成后将溶液超声处理一小时，然后用0.05M的稀盐酸和水反复清洗。最后分离、干燥得到石墨烯。该石墨烯尺寸大小为2-8微米(附图3所示)，该石墨烯层厚为3nm左右(如附图3所示)，层数小于10层，含锂量为1.20wt％，含氧为0.48wt.％。。本含碱金属石墨烯导电率约为450S·cm-1，比表面积为550m2·g-1。实施例3：本实施例的含碱金属石墨烯通过以下方法制备：(1)将膨胀石墨(99.9％)和金属锂-钠(质量比1:1)在惰性环境氩气中以质量比3:1的比例进行混合，先通过辊压将锂和石墨粉辊压均匀，然后置于氩气环境中10小时，混合物由黑色转变成金黄色(之后一直保持为金黄色)，此时石墨发生了锂的一阶插层。(2)将上述金黄色复合材料从惰性环境中取出，放入0.05M的HCl溶液中，石墨间插层的金属锂快速和盐酸和水反应，石墨发生膨胀并被剥离开，分散在稀盐酸中。反应完成后将溶液超声处理一小时，然后用0.05M的稀盐酸和水反复清洗。最后分离、干燥得到石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述含碱金属的石墨烯有1‑10层，平面尺寸为0.1‑500μm，含有少量碱金属或碱金属化合物，碱金属的质量占所述含碱金属的石墨烯质量的0.01‑10％。

【技术特征摘要】
1.一种含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述含碱金属的石墨烯有1-10层，平面尺寸为0.1-500μm，含有少量碱金属或碱金属化合物，碱金属的质量占所述含碱金属的石墨烯质量的0.01-10％。2.根据权利要求1所述的含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述含碱金属的石墨烯有1-5层，平面尺寸为1-20μm。3.根据权利要求1所述的含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述含碱金属的石墨烯中氧的含量小于1wt％。4.根据权利要求1所述的含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述的含碱金属的石墨烯导电率大于300S·cm-1，比表面积大于200m2·g-1。5.根据权利要求4所述的含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述比表面积为400m2·g-1-2000m2·g-1。6.根据权利要求1所述的含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述的碱金属为锂、钠、钾、铷、铯、钫中的一种或多种。7.根据权利要求1-6任一项所述的含碱金属的石墨烯，其特征在于，所述含碱金属石墨烯通过以下步骤制备：(1)在不与碱金属反应的气氛环境中，将石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，李彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11