一种液相剥离制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及一种液相剥离制备石墨烯的方法，制备方法包括：将聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水酒精中，得到0.1mg/L的酒精混合物；将鳞片石墨粉与浓氨水（25~28%）或者碳酸氢铵按照重量比3~5:1的比例进行混合得到石墨粉的混合物；最后把石墨粉的混合物与酒精混合物按照重量比0.5~1.5%的比例混合装在密闭容器中，进行超声处理20小时以上，静置20小时以上，取上层混合液即得到液相石墨烯。合液即得到液相石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
一种液相剥离制备石墨烯的方法


[0001]本专利技术属于碳材料
，涉及一种液相剥离制备石墨烯的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种由碳原子以sp 2 杂化轨道组成六角型、蜂巢晶格的二维碳纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学与药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
[0003]对大量结构完整的高质量石墨烯材料的需要，要求提高现有石墨烯的制备工艺水平，实现石墨烯的大规模、低成本、可控的合成和制备，因此，大规模制备石墨烯具有重要的科学和实际意义，虽然目前发展了一些方法，但都难以满足工业化生产，或者存在一定的缺陷，需进一步研究、完善这些制备方法，因此，大规模制备高质量石墨烯技术是制约其进入实际应用的瓶颈之一。
[0004]常见的石墨烯粉体的生产方法包括机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法(CVD)与液相剥离法等。
[0005]微机械剥离法优点是简单，不易产生结构缺陷，但产量太低，面积太小，难以精确控制，效率较低，难以规模制备，不适合大规模的工业生产，一般仅仅是应用在实验室的基础研究中，所以无法满足这一材料的发展应用；晶体外延生长法要求生长基底具有一定晶面取向，对设备及真空条件要求高，采用这种方法薄膜的石墨烯薄往往厚度不均匀，且石墨烯紧紧黏贴在基底上，极大地影响石墨烯的性能；化学气相沉积方法(Chemical Vapor Deposition CVD)是通过高温使含碳有机小分子气化还原，然后再降低温度使气态的原子沉积下来，在基体上渐渐生长出石墨烯，是一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的方法，但该方法制备成本高、生产效率低；氧化石墨还原法是目前制备石墨烯最热门的方法，石墨经强氧化剂氧化后，超声剥离得到氧化石墨烯，最后用还原剂还原去除含氧官能团，这种方法简便且成本较低，可以制备出大量石墨烯，但是，经过强氧化剂完全氧化过的石墨烯晶格结构很难完全还原，导致其一些物理、化学等性能损失(尤其是导电性)。
[0006]液相剥离方法是通过特定的溶剂或表面活性剂，用超声的方法将石墨在溶剂中剥离，与微机械剥离和外延生长方法相比，液相剥离是一种有望实现石墨烯低成本大量制备的有效方法。
[0007]用液相剥离法得到的石墨烯分散液，其石墨烯的结构完整，品质质量高；且可以转移到其它基底上用于制备石墨烯器件，也可以在分散液中与其他物质反应或共混，而用于制备石墨烯复合材料，因此，用液相剥离法规模化制备石墨烯被认为最有可能工业化的方法，且所得的石墨烯结构完整、没有缺陷。
[0008]用液相剥离法制备石墨烯分散液在规模化制备、石墨烯品质高，容易功能化及原料广泛与成本低等方面体现出其独特的优势，但是用液相剥离法制备石墨烯分散液在其工业化生产之前，仍然有一些问题需要解决：石墨烯分散液的稳定性问题、插层剂的效果问
题、环境污染的问题。

技术实现思路

[0009]以上这三个问题，其中石墨烯分散液的稳定性问题是这些问题中最重要问题，这一问题通常通过加入表面活性剂来调节石墨烯的表面能。
[0010]剥离制备石墨烯需要克服石墨层与层之间的范德华力，而将石墨分散在液体中是一种直接的有效减小范德华力的方式，这就使得液相剥离法具有实现工业化的可能性。
[0011]为达到这一目标，通过对不同表面活性剂的比较发现，聚乙烯吡咯烷酮是一种理想分散、稳定石墨烯的表面活性剂。
[0012]为了剥离层状石墨，需要选择分子直径略大于石墨层间距的插层剂，尤其需要插层剂分子内有配位能力非常强的原子，确保插层剂分子能插入层状石墨的层间，氮原子原子半径小，外层有多余的空轨道，其配位能力超强，基于此，本专利技术主要选取含氮的氨分子，另外有水分子和二氧化碳分子作为插层剂，化合物表现即为氨水、碳酸氢铵。
[0013]本专利技术即是利用聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，以氨水或者碳酸氢铵作为插层剂，在超声波的作用下把石墨粉分散为石墨烯。
[0014]采用的原材料中的鳞片石墨、酒精、聚乙烯吡咯烷酮、氨水、碳酸氢铵都是环境友好物质。
[0015]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种液相剥离制备石墨烯的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1) 将聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水酒精中，得到0.1mg/L的酒精混合物；2) 将800目以上鳞片石墨粉与浓氨水（25~28%）或者碳酸氢铵按照重量比3~5:1的比例进行混合得到石墨粉的混合物；3）把石墨粉的混合物与酒精混合物按照重量比1%的比例进行混合装在密闭容器中，进行超声分散处理20小时以上，静置20小时以上，取上层混合液即得到液相石墨烯。
[0016]本专利技术是把聚乙烯吡络烷酮溶于酒精溶液得到分散剂，聚乙烯吡咯烷酮固含量为95-100%，K值为81-96，无水酒精的乙醇含量≥99.7%，分散剂与石墨有接近的表面能，当石墨粉被超声波分散后在相近的表面能溶液中不再产生团聚现象。
[0017]本专利技术利用浓氨水或者碳酸氢铵分解出来的氨分子、水分子或者二氧化碳分子作为插层剂，鳞片石墨粉为800目以上的鳞片石墨，浓氨水为25~28%的分析纯氨水，所述的碳酸氢铵为食品级，石墨粉与浓氨水或者碳酸氢铵的重量比为3~5:1。
[0018]石墨粉的混合物与酒精混合物重量比为0.5~1.5%。
[0019]石墨粉分散液装在密闭的容器中，进行超声分散处理20小时以上，在超声分散过程中插层剂及时的插入石墨片层中，把石墨片层分散开来。
[0020]经过20个小时超声处理之后，得到石墨烯的分散液，即使静置20小时也不会分层，取分散液自然挥发掉液体之后经SEM检测，发现石墨片层出现弯曲、皱褶和透视下层的现象，确认是石墨烯。
[0021]上述制备的石墨烯，可直接添加到水性、油性物质中，也可以直接混合到粉状物质中。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
1）本专利技术制备的材料简单易得、成本低；2）本专利技术制备的设备简单，价格低；3）本专利技术的原材料和制备过程、应用中对环境无污染；4）本专利技术可以大量获得石墨烯，容易实现工业化生产；5）本专利技术制备得到的石墨烯容易使用。
[0023]本专利技术能够实现石墨片的有效剥离，所得产品性能优良、品质较好、与水等介质之间兼容性良好、分散性优良，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0024]图1为实施例1中制备的石墨烯的扫描电子显微镜图。
[0025]图2为实施例2中制备的石墨烯的扫描电子显微镜图。
[0026]图3为实施例3中制备的石墨烯的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0028]本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0029]实施例1：1) 将聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水酒精中，得到0.1mg/L的酒精本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液相剥离制备石墨烯的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1) 将聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水酒精中，得到0.1mg/L的酒精混合物；2) 将鳞片石墨粉与浓氨水（25~28%）或者碳酸氢铵按照重量比3~5:1的比例进行混合得到石墨粉的混合物；3）把石墨粉的混合物与酒精混合物按照重量比0.5~1.5%的比例进行混合装在密闭容器中，进行超声分散处理20小时以上，静置20小时以上，取上层混合液即得到液相石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种液相剥离制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的聚乙烯吡咯烷酮固含量为95-100%，K值为81-96。3.根据权利要求1所述的一种液相剥离制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤1)中，所述无水酒精的乙醇含量≥99.7%。4.根据权利要求1所述的一种液相剥离制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄明安，王璇，刘天明，温淦尹，
申请(专利权)人：四会富仕电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：