CN102530927A

CN102530927A - 石墨烯的制备方法

Info

Publication number: CN102530927A
Application number: CN2010106063491A
Authority: CN
Inventors: 王廷梅; 李裕琪; 王齐华
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种石墨烯的制备方法。该方法将氧化石墨烯分散于水、醇、酚以及有机酸中的一种或两种中，在添加或不添加反应介质下，进行常压回流反应，直至黑色物质不再析出，停止反应；将产物分离提纯，得到石墨烯。本发明具有绿色、安全、简单、节能等优点，可在石墨烯及其相关产品如晶体管、触摸屏、基因测序、燃料电池、超级电容器等领域得到应用。

Description

石墨烯的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，由一层碳原子构成，可在二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料，同时，它被认为是宇宙上最薄的材料，也被认为是有史以来最为结实的材料。

在2004年由2010年诺贝尔物理学奖获得者安德烈-盖姆和康斯坦丁-诺沃肖洛夫用机械剥离的方法第一次成功使石墨层剥离获得独立存在的单层或多层石墨烯。二维结构的石墨烯具有优异的电子特性，据悉石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料，有专家指出，如果用石墨烯制造微型晶体管将能够大幅度提升计算机的运算速度，其传输电流的速度比电脑芯片里的硅元素快100倍，也可运用于导电高分子复合材料，这也使其在微电子领域、半导体材料、晶体管和电池等方面极具应用潜力。IBM的研究人员展示了由石墨烯材料制作而成的场效应晶体管(FET)。经测试，其截止频率可达100GHz，这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。石墨烯的导热性能(3000W·m^-1·K^-1)也很突出，且优于碳纳米管。石墨烯的表面积很大，McAlliste等通过理论计算得出石墨烯单片层的表面积为2630m²/g，这个数据是活性炭的2倍多，可用于水净化系统。

石墨烯被誉为能改变世界的材料，其在诸多领域都有令人振奋的应用前景。但是由于物理剥离方法制备石墨烯的工艺要求比较高、生产效率低等缺点，难以规模化生产，因而多数的石墨烯是通过化学方法得到的。

目前，制备石墨烯的方法主要有，机械剥离法，氧化石墨烯还原法、化学合成法等。中国发明专利公开号CN101462719公开了以金属钠和卤代烃为原料，通过在惰性环境下在溶剂中进行反应制备石墨烯；也有以膨胀石墨为原料，经超声分散、固液分离和干燥后，制备出多层石墨烯(CN101746755A)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中制备石墨烯工艺复杂、安全性差、反应温度高等缺点而提供一种石墨烯的制备方法。

一种石墨烯的制备方法，其特征在于该方法将氧化石墨烯(GO)分散于水、醇、酚以及有机酸中的一种或两种中，在添加或不添加反应介质下，进行常压回流反应，直至黑色物质不再析出，停止反应；将产物分离提纯，得到石墨烯；反应介质选自甲基硅油、乙基硅油或甲基苯基硅油。

在常压回流反应时，加入惰性溶剂作为反应介质，惰性溶剂选自甲基硅油、乙基硅油或甲基苯基硅油。惰性溶剂的加入可以使反应时间缩短，同时会增加反应和分离成本。在不添加反应介质的下的回流反应时间为10-20小时。在添加反应介质的下的回流反应时间为4-8小时。

本发明所述的醇为甲醇、乙醇或乙二醇。

本发明所述的酚为苯酚或萘酚。

本发明所述的有机酸为甲酸或乙酸。

本发明若反应体系中未加入惰性溶剂(反应介质)，则直接蒸发除去溶剂获得石墨烯。

本发明若反应体系中加入了惰性溶剂(反应介质)，则用分液的方法先将下层液分离出来，取下层液蒸发除去惰性溶剂(反应介质)获得石墨烯。

本发明以水、醇、酚以及有机酸中的一种或两种为还原剂，同时可选择加入惰性溶剂构成还原体系，通过回流反应，可对氧化石墨烯进行还原，制备出石墨烯。它能快速高效的对氧化石墨烯进行还原，制备单层或多层的各项性能优异的石墨烯。

本发明制备石墨烯的机理分为两部分：

1、脱羧基与环氧基形成羟基：

2、脱羟基：

本机理所的结构为氧化石墨烯片层结构的一部分不能代表全部结构。

本发明所采用的反应物质具有价格低廉，环境友好的优点，有利于环境以及操作人员的保护。

本发明与传统方法相比具有绿色、安全、简单、节能等优点。可在石墨烯及其相关产品如晶体管、触摸屏、基因测序、燃料电池、超级电容器等领域得到应用。

附图说明

图1为实施例4中所制备出的石墨烯的SEM图。如图1所示，本发明方法制备出了片层结构的石墨烯。

具体实施方式

实施例1：

配制含有氧化石墨烯(GO)的水溶液，GO浓度为0.01mg/ml，滴加0.1ml甲基硅油，回流反应，直至黑色物质不再析出，最后经分液，蒸发除去溶剂获得石墨烯。

实施例2：

配制含有氧化石墨烯的水和乙醇溶液，GO浓度10mg/ml，水和乙醇的体积比为50∶1，滴加0.1ml乙基硅油，回流反应，直至黑色物质不再析出，最后经分液，蒸发除去溶剂获得石墨烯。

实施例3：

配制含有氧化石墨烯的水和甲醇溶液，GO浓度为0.07mg/ml，水和甲醇的体积比为30∶1，回流反应，直至黑色物质不再析出，最后蒸发除去溶剂获得石墨烯。

实施例4：

配制含有氧化石墨烯的乙二醇溶液，GO浓度为1mg/ml，回流反应，直至黑色物质不再析出，蒸发除去溶剂获得石墨烯。

实施例5：

配制含有氧化石墨烯的水和异丙醇溶液，GO浓度为25mg/ml。水与异丙醇的体积比为20∶1，滴加少量甲基苯基硅油，回流反应，直至黑色物质不再析出，最后经分液，蒸发除去溶剂获得石墨烯。

实施例6：

制配含有氧化石墨烯的聚乙二醇溶液，GO浓度为2mg/ml，回流反应，直至黑色物质不再析出，最后蒸发除去溶剂获得石墨烯。

实施例7：

制配含有氧化石墨烯的萘酚溶液，GO浓度为0.5mg/ml，回流反应，直至黑色物质不再析出，最后蒸发除去溶剂获得石墨烯。

实施例8：

配制含有氧化石墨烯的甲酸溶液，GO浓度为0.03mg/ml，回流反应，直至黑色物质不再析出，最后蒸发除去溶剂获得石墨烯。

Claims

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于该方法将氧化石墨烯分散于水、醇、酚以及有机酸中的一种或两种中，在添加或不添加反应介质下，进行常压回流反应，直至黑色物质不再析出，停止反应；将产物分离提纯，得到石墨烯；反应介质选自甲基硅油、乙基硅油或甲基苯基硅油。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于醇为甲醇、乙醇或乙二醇。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于酚为苯酚或萘酚。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于有机酸为甲酸或乙酸。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于回流反应中未加入反应介质，直接蒸发除去溶剂获得石墨烯。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于回流反应中加入了反应介质，用分液的方法先将下层液分离出来，取下层液蒸发除去反应介质获得石墨烯。