CN103130211B - 石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将石墨粉加入到溶解有并苯稠环类芳烃衍生物的非水极性溶剂形成混合体系；对混合体系进行震荡、洗涤、离心和过滤得到石墨烯溶液。上述石墨烯的制备方法，制备条件要求不高、制备工艺简单、所得石墨烯品质优良，几乎没有结构缺陷，且产率可观。

Description

石墨烯的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种碳元素的同素异形体，尤其涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术：

2004年Geim等人第一次从高取向热解石墨上剥离得到单原子层的纳米石墨片——石墨烯。石墨烯的出现给碳家族增添了新的成员，成为碳元素的第五种同素异形体。单层石墨烯是真正意义上的二维原子晶体，是目前世界上己知最薄的材料，20万片单层石墨烯的叠加厚度仅相当于一根头发丝的直径。石墨烯具有超高的机械强度、良好的导电导热性能以及独特的电学性质，因而具有广泛的应用前景。

高质量石墨烯的大量生产是实现石墨烯广泛应用的前提，也一直是石墨烯研究的一个热点。目前常用的石墨烯制备方法有四种：微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化石墨还原法。

微机械剥离法产率过低，仅适用于实验室小型试验；外延生长法对于生产设备、条件均要求较高，不适应于现阶段生产要求；化学气相沉积法难于得到均匀的单层石墨烯，且工艺复杂；氧化石墨还原法得到的还原石墨烯往往有太多的缺陷，对于石墨烯的电学性质是致命的影响。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明提供了一种产率可观、制备条件要求不高、制备工艺简单、所得产品性质优良的石墨烯生产工艺。

一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

将石墨粉加入到溶解有并苯稠环类芳烃衍生物的非水极性溶剂形成混合体系；

对所述混合体系进行震荡、洗涤、离心和过滤得到石墨烯溶液。

在优选的实施例中，所述混合体系的震荡采用超声波震荡。

在优选的实施例中，得到所述的混合体系后，步骤如下：

将所述混合体系以100～2500瓦的超声波震荡0.1～24小时，得到第一次震荡混合体系；

向所述第一次震荡混合体系中加入1～2000毫升的水，然后以100～2500瓦的震荡功率震荡1～200小时，得到第二次震荡混合体系；

将所述第二次震荡混合体系静置1～96小时，去除上层清液，并补水至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡0.5～24小时，得第三次震荡混合体系。

在优选的实施例中，得到第三次震荡混合体系后，步骤如下：

在500～20000转的速率下将所述第三次震荡混合体系离心1～100分钟，去除上层清液，并补水至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡，重复离心、补水和震荡2～20次，经过滤得到石墨烯水溶液。

在优选的实施例中，所述并苯稠环类芳烃衍生物为萘甲酸、萘甲醛、蒽甲酸、蒽甲醛、菲甲酸、菲甲醛、苊甲酸、苊甲醛、芴甲酸、芴甲醛、芘甲酸、芘甲醛、苝甲酸、苝甲醛中的一种或任意种组合。

在优选的实施例中，所述非水极性溶剂包括，甲酰胺、乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、乙酸、二恶烷、丙酮、四氢呋喃、甲乙酮、正丁醇、乙酸乙酯、N-N二甲基甲酰胺中的一种或任意种以任意比例组合。

本发明的有益效果为：制备过程中可保证每一步均在常温常压下操作，无需加热，无强腐蚀性、剧毒性试剂，制备条件要求不高、制备工艺简单、所得石墨烯品质优良，几乎没有结构缺陷，且产率可观。

附图说明：

图1为本发明石墨烯制备方法的流程图；

图2为本发明石墨烯制备方法的具体流程图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种石墨烯的制备方法，利用含亲水基团的并苯稠环类芳烃衍生物作为插层试剂，且利用水及非水极性溶剂作为分散体系，分步超声波法制备石墨烯，包括以下步骤：

步骤110中，将石墨粉加入到溶解有并苯稠环类芳烃衍生物的非水极性溶剂形成混合体系。取1mg至1000mg的石墨微粒(粒径在5μm至300μm之间)加入到溶解有1mg至500mg的并苯稠环类芳烃衍生物(如萘甲酸、萘甲醛、蒽甲酸、蒽甲醛、菲甲酸、菲甲醛、苊甲酸、苊甲醛、芴甲酸、芴甲醛、芘甲酸等)的10ml至1000ml非水极性溶剂中(如甲酰胺、乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、乙酸、二恶烷、N-N二甲基甲酰胺等)。

步骤120中，对所述混合体系进行震荡、洗涤、离心和过滤得到石墨烯溶液。

上述过程，利用并苯稠环类芳烃衍生物其上的含稠环基团与石墨上π电子的相互作用，在非水极性溶剂中，以一定功率的超声波震荡，起到对石墨插层的效果；再加入极性很强的水做分散剂，利用超声波破坏石墨其上的化学键，此时并苯稠环类芳烃衍生物其上的亲水基团溶于水分散液，帮助石墨烯溶解，避免石墨烯堆积，得到石墨烯原始溶液。再多次利用超声波震荡、洗涤、离心的方法纯化石墨烯溶液，去除原始溶液中过量的并苯稠环类芳烃衍生物及未剥离的石墨，最终得到纯净的石墨烯溶液，产率约为1％。制备过程中可保证每一步均在常温常压下操作，无需加热，无强腐蚀性、剧毒性试剂，制备条件要求不高、制备工艺简单、所得石墨烯品质优良，几乎没有结构缺陷，且产率可观。

在本实施例中，混合体系的震荡采用超声波震荡。

如图2所示，在本实施例中，经过步骤110得到混合体系后，步骤如下：

步骤121中，将混合体系进行超声波震荡，得到第一次震荡混合体系，即将混合体系以100～2500瓦的超声波震荡0.1～24小时，得到第一次震荡混合体系。

步骤122中，向第一次震荡混合体系中加入水，然后进行超声波震荡，得到第二次震荡混合体系。其中，加入1～2000毫升，超声波采用100～2500瓦的震荡功率震荡1～200小时。

步骤123中，将第二次震荡混合体系静置，去除上层清液，并补水至原有体积，再进行超声波震荡，得第三次震荡混合体系。其中静置时间1～96小时，超声波采用100～2500瓦的震荡功率震荡0.5～24小时。

在本实施例中，得到第三次震荡混合体系后，再进行步骤124，将第三次震荡混合体系离心，去除上层清液，并补水至原有体积，再进行超声波震荡，重复离心、补水和震荡，经过滤得到石墨烯水溶液。其中，离心的条件为在500～20000转的速率下离心1～100分钟，超声波的振荡频率为100～2500瓦，重复离心、补水和震荡2～20次。

在本实施例中，并苯稠环类芳烃衍生物为萘甲酸、萘甲醛、蒽甲酸、蒽甲醛、菲甲酸、菲甲醛、苊甲酸、苊甲醛、芴甲酸、芴甲醛、芘甲酸、芘甲醛、苝甲酸、苝甲醛中的一种或任意种组合。

在本实施例中，非水极性溶剂包括，甲酰胺、乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、乙酸、二恶烷、丙酮、四氢呋喃、甲乙酮、正丁醇、乙酸乙酯、N-N二甲基甲酰胺中的一种或任意种以任意比例组合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

将石墨粉加入到溶解有并苯稠环类芳烃衍生物的非水极性溶剂形成混合体系；得到所述的混合体系后，步骤如下：

将所述混合体系以100～2500瓦的超声波震荡0.1～24小时，得到第一次震荡混合体系；向所述第一次震荡混合体系中加入1～2000毫升的水，然后以100～2500瓦的震荡功率震荡1～200小时，得到第二次震荡混合体系；

将所述第二次震荡混合体系静置1～96小时，去除上层清液，并补水至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡0.5～24小时，得第三次震荡混合体系；

得到第三次震荡混合体系后，步骤如下：

在500～20000转的速率下将所述第三次震荡混合体系离心1～100分钟，去除上层清液，并用水补充剩余混合体系至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡，重复离心、补水和震荡2～20次，经过滤得到石墨烯水溶液。

2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述混合体系的震荡采用超声波震荡。

3.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述并苯稠环类芳烃衍生物为萘甲酸、萘甲醛、蒽甲酸、蒽甲醛、菲甲酸、菲甲醛、苊甲酸、苊甲醛、芴甲酸、芴甲醛、芘甲酸、芘甲醛中的一种或任意种组合。

4.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述非水极性溶剂包括，甲酰胺、乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、乙酸、二恶烷、丙酮、四氢呋喃、甲乙酮、正丁醇、乙酸乙酯、N-N二甲基甲酰胺中的一种或任意种以任意比例组合。