一种石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种石墨烯的制备方法，属于石墨烯制备技术领域。一种石墨烯的制备方法，对氧化石墨烯进行热还原，之后置于带有增强等离子的管式炉中，通入碳源气体进行热处理，制得石墨烯。本发明专利技术方法制备的石墨烯具有优异的片层完整性和电学性能，同时该方法能够大规模生产石墨烯，具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯的制备方法


[0001]本专利技术实施例涉及石墨烯制备
，具体涉及一种石墨烯的制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种新型炭质材料，是自然界已知材料中最薄的一种材料。石墨烯具有独特的电子结构和电学性质，成为目前光电领域中炙手可热的新型材料。然而，潜在应用价值的实现离不开高质量、低成本、大规模石墨烯的制备。
[0003]石墨烯制备常用的方法包括：机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法。机械剥离法可以方便、廉价、大量地制备少层石墨片，但尺寸无法控制，对其性能有较大影响，而采用胶带剥离虽能简便、快捷制备出高质量石墨烯，但不适合大规模生产。外延生长法是利用单晶硅或碳化硅为基底，在基底上生长出大尺寸高纯度的单层石墨烯，该方法存在石墨烯与基底难分离等问题，且对石墨烯晶型与基底的限制较大，石墨烯产量也很低。化学气相沉积法(CVD)是一种可以大量合成高质量石墨烯的方法，它主要是通过在金属表面高温分解含碳化合物，进而在金属表面生长石墨烯，但CVD制备石墨烯过程中，影响因素较多，如催化基底种类、碳源种类、气流速度、生长温度、体系压力及生长时间等，同时成本高，制约了石墨烯的大规模生产，虽然采用等离子体增强CVD制备石墨烯能够在一定程度上解决成本问题，但产量远远达不到工业应用的范畴。氧化还原法是可大规模制备石墨烯的方法之一，其通过氧化以及超声等作用破坏石墨层间的范德华力，形成单原子层的氧化石墨烯，然后通过还原法对氧化石墨烯进行还原，此过程中通过化学氧化在石墨层间插入大量含氧官能团，使石墨层间距变大，再经过还原剥离制备出石墨烯。该方法可大量生产弹性模量等性能与原始石墨烯相近的石墨烯。其中，含氧官能团石墨烯的还原包括：化学还原法、热还原法、电化学还原法，相较于化学还原法，热还原法对氧化石墨烯还原更加彻底且分解的CO2和H2O等小分子从层间逸出，使得片层进一步剥离，然而在热还原中，石墨片层表面会形成大量空洞和缺陷，进而影响石墨烯产物的电学性能，严重制约石墨烯在电子方面的应用。
[0004]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术实施例提供一种石墨烯的制备方法，以解决现有工艺制备的石墨烯不能兼顾优异的电学性能，以及大规模生产的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：
[0007]根据本专利技术实施例的第一方面，本专利技术实施例提供一种石墨烯的制备方法，对氧化石墨烯进行热还原，之后置于带有增强等离子的管式炉中，通入碳源气体进行热处理，制得石墨烯。
[0008]在本专利技术的上述制备方法中，所述热还原的方法包括：将氧化石墨烯置于管式炉
中，在惰性气体保护下，于1050
‑
1100℃热还原1
‑
2h。
[0009]在本专利技术的上述制备方法中，所述碳源气体为甲烷与氩气的混合气体，甲烷和氩气的体积比为1:(2
‑
4)。
[0010]在本专利技术的上述制备方法中，所述带有增强等离子的管式炉的等离子频率为12.5
‑
14.5MHz；所述热处理的温度为600
‑
800℃，时间为1.5
‑
2h。
[0011]在本专利技术的上述制备方法中，所述氧化石墨烯的制备方法包括如下步骤：
[0012](1)将50
‑
250ml浓硫酸添加到装有1
‑
5g石墨的烧瓶中，冰水浴搅拌45
‑
60min，至反应溶液变为墨绿色；
[0013](2)向烧瓶中添加6
‑
30g高锰酸钾，冰水浴搅拌45
‑
60min，之后升温至40
‑
45℃，搅拌45
‑
60min，最后升温至85
‑
90℃，搅拌45
‑
60min；
[0014](3)100
‑
500ml去离子水分三次添加到烧瓶中，然后缓慢加入10
‑
50ml双氧水，至不再产生气泡；
[0015](4)待反应体系降至室温，在7000
‑
9000rpm离心，并用去离子水和稀盐酸分别清洗三次，过程中超声分散10
‑
20min后再进行离心；
[0016](5)将离心所得沉淀物置于蒸发皿中，在80
‑
100℃干燥12
‑
24h，研磨成粉末，制得氧化石墨烯。
[0017]在本专利技术的上述制备方法中，所述石墨为鳞片石墨，其粒径为200
‑
300目。
[0018]在本专利技术的上述制备方法中，所述浓硫酸的浓度为96
‑
98％；所述高锰酸钾的纯度为99
‑
99.5％；所述双氧水的浓度为29
‑
30％。
[0019]根据本专利技术实施例的第二方面，本专利技术实施例提供一种由上述任一项方法制成的石墨烯。
[0020]本专利技术实施例具有如下优点：
[0021]氧化还原法制备石墨烯是大规模制备单层或少层石墨烯最有效的方法之一。在石墨氧化过程中，大量含氧官能团插入到石墨片层中，在热还原过程中，石墨层间含氧官能团以二氧化碳及水的形式逸出，并剥离石墨片层，待含氧官能团除去后，石墨片层形成大量的空洞及形态缺陷，对制备的石墨烯的电学性能有极大影响。本专利技术通过等离子增强碳源气体裂解，在热还原处理形成的含有空洞及形态缺陷的石墨烯片层上沉积，进而有效修补石墨烯片层上的空洞及形态缺陷，使其结构更加完整无缺，从而达到增强石墨烯电学性能的目的。相比其他石墨烯制备方法，本专利技术方法在大规模生产高质量石墨烯方面具有广泛的应用前景。
具体实施方式
[0022]以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
[0023]以下实施例中，鳞片石墨的粒径为200
‑
300目；浓硫酸的浓度为96
‑
98％；高锰酸钾的浓度为99
‑
99.5％；双氧水的浓度为29
‑
30％，均可通过常规商业途径购买得到。
[0024]实施例1
[0025]本实施例提供一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
[0026](1)称取1g的鳞片石墨置于烧瓶中；
[0027](2)量取50ml浓硫酸，加入到上述装有鳞片石墨的烧瓶中；
[0028](3)将上述烧瓶在冰水浴搅拌45min，至烧瓶液体变为墨绿色；
[0029](4)称取6g高锰酸钾加入到上述烧瓶中，继续搅拌60min；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，对氧化石墨烯进行热还原，之后置于带有增强等离子的管式炉中，通入碳源气体进行热处理，制得石墨烯。2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述热还原的方法包括：将氧化石墨烯置于管式炉中，在惰性气体保护下，于1050
‑
1100℃热还原1
‑
2h。3.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述碳源气体为甲烷与氩气的混合气体，甲烷和氩气的体积比为1:(2
‑
4)。4.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述带有增强等离子的管式炉的等离子频率为12.5
‑
14.5MHz；所述热处理的温度为600
‑
800℃，时间为1.5
‑
2h。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的制备方法包括如下步骤：(1)将50
‑
250ml浓硫酸添加到装有1
‑
5g石墨的烧瓶中，冰水浴搅拌45
‑
60min，至反应溶液变为墨绿色；(2)向烧瓶中添加6
‑
30g高锰酸钾，冰水浴搅拌45
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊军，秦显营，李宝华，
申请(专利权)人：深圳石墨烯创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：