有机胺溶剂热法制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种溶剂热法制备石墨烯的方法。该方法包括如下步骤：１）采用溶剂热法使膨胀石墨与有机胺或有机胺溶液进行反应，得到石墨烯半分散液；２）对步骤１）得到的石墨烯半分散液进行超声分散，然后离心，收集上清液，即得到石墨烯。本发明专利技术首次通过溶剂热剥离为手段制备得到了石墨烯。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜表征了石墨烯的形貌；用拉曼光谱、Ｘ射线光电子能谱表征了石墨烯的缺陷密度及氧化情况，结果表明，本发明专利技术方法合成的石墨烯具有尺寸大，质量高，缺陷少、氧化程度轻等优点。此外，本发明专利技术还具有合成路线简单，成本低廉，合成的石墨烯分散液浓度高且不易聚集的优点，在石墨烯材料方面有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有机胺溶剂热法制备大片高质量石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后被科学家们发现的又一种新的碳元素结构形 态，是由邓2杂化碳原子键合，且具有六方点阵蜂窝状二维结构的单层平面石墨。2004年 科学家首次成功剥离出石墨烯(Science 2004， 306， 666-669)，打破了凝聚态物理的理论，推翻了人们以前普遍接受的严格的二维晶体无法在有限的温度下存在的科学预言，对凝聚 态物理的发展有可能产生重大的影响。此外石墨烯表现出来的一系列奇特的电子和物理特 性，在分子电子学，微纳米器件，超高速计算机芯片，高转换效率电池，固态气敏传感器，氢 储存等领域有着重要的应用前景(NatureNanotechnology，2008，3， 10-11)。 作为明星材料，石墨烯的制备是其进一步发展与应用的关键，从而引起了学术 界和工业界的广泛关注。石墨烯最经典的制备方法为微机械剥离(Proc.Natl.Acad. Sci. 2005， 102， 10451-10453)，这种方法可以获得质量非常高的石墨烯样品，但是存在操作 步骤繁琐，收率低，产量小等缺点。溶液法制备石墨烯由于其成本低，产量大，重复性好等优 点被认为是制备石墨烯的重要途径，受到化学家的广泛关注。传统的化学法制备石墨烯是 通过强氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，然后进行还原(Nat. Nanotech. 2008， 3， 101-105)。这 种方法可以制备大量的石墨烯，但是由于氧化剂对石墨层的破坏作用，石墨烯质量很差且 存在较多的缺陷。其它的液相方法制备石墨烯均无法兼顾产量和石墨烯质量。所以，开发 简单、高产量、高质量、大尺寸的石墨烯的制备方法是石墨烯进一步发展的重点，也是实现石墨烯大规模，低成本使用的前提条件，具有巨大的科学研究价值和经济价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供溶剂热法制备石墨烯的方法。该方法制备得到了片层尺寸大，质量高，缺陷少，且以单层为主的石墨烯。本专利技术所提供的制备石墨烯的方法，包括如下步骤 1)采用溶剂热法使膨胀石墨与有机胺或有机胺溶液进行反应，得到石墨烯半分散 液； 2)对石墨烯半分散液进行超声分散，然后离心，收集上清液，即得到了石墨烯。 步骤1)中所述反应的反应温度为50-250°C，反应时间为1-200小时。 所述反应的压力为所述有机胺或有机胺溶液在所述反应温度下的蒸汽压。 步骤l)中所述膨胀石墨与有机胺或有机胺溶液中有机胺的质量比为i : o.i-i : iooo。 步骤2)中对半分散的石墨烯溶液进行超声分散的超声功率为10-100W，超声时间 为5-300分钟。所述离心的离心力为10Xg-10000Xg，离心时间为5分钟-100分钟。所述 离心的目的是除去多层石墨烯，获得以单片石墨烯为主的石墨烯分散液。 本专利技术中所述有机胺或有机胺溶液中的有机胺均选自碳数小于36的有机胺中的 至少一种，具体可为油胺、正己胺、十二胺或十八胺。 所述有机胺溶液中的溶剂为有机溶剂，该溶剂能浸润石墨表面；所述有机溶剂优 选自下述至少一种二氯苯，N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，二氧六环，甲苯，氯仿 和N-甲基吡咯烷酮。 为了便于分散，还可在步骤1)得到的石墨烯半分散液中加入有机溶剂，然后再进 行超声分散。所述有机溶剂选自下述至少一种二氯苯，N， N-二甲基甲酰胺，N， N-二甲基 乙酰胺，二氧六环，甲苯，氯仿和N-甲基吡咯烷酮。 本专利技术中所用的膨胀石墨可通过商业途径获得，也可按照下述方法进行制备 0-60。C水浴条件下，在三口瓶中加入5-25ml 95X硫酸和0-25ml 65%浓硝酸，然 后将lg石墨和0-0. 5g氧化剂(如重铬酸钾或高锰酸钾)加入到上述混酸溶液中，维持 0-6(TC搅拌10-500分钟。反应结束，将混合物倒入200ml水中，真空抽滤，用双蒸水冲洗滤 渣，将滤渣在5(TC干燥12h得到膨胀石墨。 本专利技术通过溶剂热剥离为手段制备得到了石墨烯。采用扫描电子显微镜、透射电 子显微镜、原子力显微镜表征了石墨烯的形貌；用拉曼光谱、X射线光电子能谱表征了石墨 烯的缺陷密度及氧化情况，结果表明，本专利技术方法合成的石墨烯具有尺寸大，质量高，缺陷 少、氧化程度轻等优点。此外，本专利技术还具有合成路线简单，合成成本低(原料均为商业化 的廉价产品)，合成的石墨烯溶液浓度高且不易聚集的优点，在石墨烯材料方面有良好的应 用前景。附图说明 图1为实施例1制备的石墨烯的扫描电子显微镜照片。 图2为实施例1制备的石墨烯的原子力显微镜(AFM)照片。 图3为实施例1制备的石墨烯的AFM高度图。 图4为实施例1制备的石墨烯的透射电子显微镜照片。 图5为实施例1制备的石墨烯的选区电子衍射照片。 图6为实施例1制备的石墨烯的拉曼光谱表征。 图7为实施例1制备的石墨烯的广泛X射线光电子能谱表征。 图8为实施例1中石墨烯的区域X射线光电子能谱表征。 图9为实施例2制备的石墨烯的扫描电子显微镜照片。 图10为实施例6制备的石墨烯的原子力显微镜(AFM)照片。 图11为实施例8制备的石墨烯的原子力显微镜(AFM)照片。 图12为实施例9制备的石墨烯的原子力显微镜(AFM)照片。具体实施例方式本专利技术所提供的石墨烯的处理方法主要包括以下几个步骤 第一步、膨胀石墨的制备 石墨和氧化剂，在硝硫混酸中混合搅拌，以合成酸插层石墨。 第二步、石墨烯半分散液的制备 将第一步制备的酸插层石墨和过量的有机胺或有机胺的溶液置于高压釜中，高温 高压(温度5(TC至25(TC，压力为该溶剂在该温度下的蒸汽压)反应，得到半分散的石墨烯 有机胺溶液。 第三步、石墨烯分散液的制备 将半分散的石墨烯有机胺溶液置于低功率的超声波环境中进行超声分散，获得石 墨烯的分散溶液。 第四步、以单层石墨烯为主的分散液的制备 将石墨烯分散液进行离心分离，获得单层石墨烯为主的分散液。 第五步、石墨烯的形貌表征和品质表征 对合成的石墨烯用扫描电子显微镜，原子力显微镜，透射电子显微镜进行形貌表 征，用选区电子衍射，拉曼光谱表征，X射线光电子能谱进行品质(缺陷密度、氧化程度)表 征。 下面以具体实施例，对本专利技术实现溶剂热剥离石墨烯的方法加以说明，但本专利技术 并不局限于此。 下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。 实施例1、制备石墨烯 1)膨胀石墨的制备 2(TC水浴条件下，在50ml三口瓶中加入15ml质量分数为95%硫酸和5ml质量分 数为65%浓硝酸，将lg石墨和0. Olg重铬酸钾加入到上述混酸溶液中，维持3(TC搅拌40 分钟。反应结束，将混合物倒入200ml水中，真空抽滤，用双蒸水冲洗滤渣，将滤渣在5(TC干 燥12h，得到大量黑色固体，即膨胀石墨。 2)石墨烯半分散液的制备 将膨胀石墨30mg加入到10ml油胺中。在氮气保护的环境下封入高压釜中，170°C 反应72h，冷却至室温获得糊状半分散石墨烯。 3)石墨烯高分散液的制备 将糊状半分散石墨烯置于25ml单口瓶中，以60W的功率超声45分钟，得到具有大 量沉淀的黑色溶液，即石墨烯高分散液。 4)以单层石墨烯分散液的制备 将黑色溶液加入到1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨烯的方法，包括如下步骤：１）采用溶剂热法使膨胀石墨与有机胺或有机胺溶液进行反应，得到石墨烯半分散液；２）对石墨烯半分散液进行超声分散，然后离心，收集上清液，即得到石墨烯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云圻，郑健，狄重安，刘洪涛，郭云龙，于贵，朱道本，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]