CN103350995B - 一种制备高质量石墨烯的湍流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高质量石墨烯的湍流方法，它有七大步骤：第一，将石墨粉分散于溶液中，得到石墨分散液；第二，使石墨分散液在容器中高速旋转，获得湍流；第三，用湍流处理石墨粉分散液；第四，把处理后的溶液进行静置处理，然后取上层的溶液；第五:把上层溶液再作离心分离处理；第六:把高速离心分离处理后的上层清液收集出来，得到稳定的高质量石墨烯分散液；第七：把石墨烯分散液抽滤或蒸馏得到石墨烯粉。本发明的湍流方法，制备过程温和，设备投资少，原料成本低，生产安全性高，操作简便易行，环境友好，产量可观，重现性好，不但适用于实验室研究，还更加适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备高质量石墨烯的湍流方法，具体是涉及一种利用湍流在溶液中制备石墨烯的技术。属于石墨烯制备技术领域。
背景技术
石墨烯以其在物理、化学、电学、力学等各方面的独特优异性能，在新材料、新能源和电子元器件等诸多领域展现出了广阔的应用前景。然而，从长远来看，实现石墨烯真正大规模应用的最重要前提是，开发出低成本、大批量、无污染的石墨烯制备技术。同样，石墨烯的大批量低成本无污染制备技术也是关于该材料基础研究与产业化应用的核心问题之一。
首次制备出石墨烯的是2010年诺贝尔物理学奖获得者Novoselov和Geim，他们在2004年采用微机械解理，即以胶带黏贴技术从高定向热解石墨（HOPG）中剥离出石墨烯片。微机械解理虽然可制备出横向尺寸达几十微米的高质量石墨烯，但效率和产量极低，仅限于实验室的基础研究。目前石墨烯制备的主流方法属于化学技术范畴，主要包括基底生长、基底外延、化学气相沉积和还原氧化石墨烯等方法，前三种方法在电子元器件应用上展现出优势，但存在温度压强控制要求高、高质量基片、石墨烯与基片分离难以控制等苛刻条件，难以达到大量简易生产石墨烯的目的，尤其无法满足石墨烯材料的产业化应用需求。另外，基于液相工艺的氧化石墨烯还原方法，虽然是宏量制备石墨烯的可能有效途径，但该方法工艺复杂，条件不易控制，制备成本较高，重复性较差，还原的氧化石墨烯与纯石墨烯在性能上还是有所差别，且还原效率较低，所用化学试剂大多有毒，难以满足低成本绿色应用需要。而在液相中直接剥离普通晶体石墨制备石墨烯的方法，以其晶体石墨粉原料、相关溶剂及机械剥离设备价格低廉，溶剂可以绿色无污染的特点，展现出简易绿色、低成本、高效率、大批量制备石墨烯的优势。然而，在这方面，目前广泛采用的是超声空化，即利用超声产生的液体空化实现对石墨的剥离。而空化伴随着局部高温高压的剧烈过程，对石墨烯造成的缺陷较大，限制了所制备石墨烯的质量，影响了所制备石墨烯的性能（尤其是电学性能）。因此，开发出相对温和的、能实现工业化生产的高质量石墨烯的制备方法，显得尤为重要。
发明内容
1、目的：本发明的目的在于提供一种制备高质量石墨烯的湍流方法，该方法利用湍流对石墨粉进行剥离，以相对温和的方式得到了高质量石墨烯。该方法克服了目前广泛采用的伴随有局部高温高压剧烈过程的超声空化技术的不足，是一种简易、低成本、高效率、大批量制备高质量石墨烯的优良方法。
2、技术方案：本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
本发明一种制备高质量石墨烯的湍流方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：将石墨粉分散于溶液中，得到石墨分散液；
步骤二：使石墨分散液在容器中运动，形成湍流；
步骤三：用湍流处理石墨分散液，处理时间30min以上；
步骤四：把经过湍流处理后的石墨分散液进行静置处理，静置时间为0.5-2h，然后取上层的溶液；
步骤五：把上层溶液再作高速离心分离处理，离心加速度25-1600g，离心时间45-90min；
步骤六：把高速离心分离处理后的上层清液收集出来，即得到稳定的高质量石墨烯分散液；
步骤七：把石墨烯分散液抽滤或蒸馏得到石墨烯粉。
其中，步骤一中所述的石墨粉为微晶石墨、鳞片石墨、可膨胀石墨、高取向热解石墨中的一种或多种的混合物。
其中，步骤一中所述的溶液是一种溶剂，其Hansen溶解度参数（δD1，δP1，δH1）与石墨烯的Hansen溶解度参数（δD0=18MPa1/2，δP0=9.3MPa1/2，δH0=7.7MPa1/2）接近，主要包括N-甲基吡咯烷酮、N-乙基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、环己酮、环戊酮、乙烯基吡咯烷酮、苯甲酸苄酯、溴苯、γ-丁内酯、N-甲酰基哌啶、N,N-二甲基丙烯基脲、异丙醇、二甲基亚砜中的一种或多种的混合物。
其中，步骤一中所述的溶液是一种混合溶剂，是指水和异丙醇的混合溶液，异丙醇质量分数为45%-65%。
其中，步骤一中所述的溶液是一种混合溶剂，是指水和乙醇的混合溶液，乙醇质量分数为30%-50%。
其中，步骤一中所述的溶液是一种混合溶剂，是指水和丙酮的混合溶液，丙酮质量分数为60%-80%。
其中，步骤二中所述的运动，其产生的流动的雷诺数大于104，确保整个流场为湍流。
本发明的有益效果是：
（1）采用湍流方法，利用湍流产生的粘性剪切力、雷诺剪切力、石墨颗粒间的碰撞以及压力波动，借助石墨层间的自润滑能力，使石墨块体剥离成石墨烯。该湍流方法制备过程相对温和，克服了目前广泛采用的伴随有局部高温高压剧烈过程的超声空化技术的不足，可以获得高质量石墨烯。
（2）采用湍流方法，容易扩大规模，实现高质量石墨烯的工业化生产。
（3）采用湍流方法所制备的石墨烯，缺陷少，质量高。石墨烯产品厚度均匀，保持在1-4个碳原子层之间。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
图2a为实施案例中用于产生湍流的搅拌装置的三维图和（b）二维示意图。
图2b为实施案例中用于产生湍流的搅拌装置的二维示意图。
图3为本发明方法所制备的石墨烯的原子力显微镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
见图1，本发明是一种制备高质量石墨烯的湍流方法，该方法具体实施如下：
实施例1，以在N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌产生湍流剥离鳞片石墨而制备高质量石墨烯为实施例，用于产生湍流的搅拌装置如图2a、图2b所示，详述工艺步骤如下：
步骤一:称取鳞片石墨粉1200mg，分散在400mL N-二甲基甲酰胺溶剂中，得到3mg/mL的石墨分散液；
步骤二：将配好的石墨分散液转移至搅拌容器中，搅拌速度5000rpm，对应的雷诺数为2×106，获得湍流；
步骤三:用湍流处理石墨分散液1h；
步骤四:把经过湍流处理后的分散液静置1小时，然后把上层分散液取出来；
步骤五:把取出来的上层分散液装入离心管中，然后以64g的离心加速度离心处理45min；
步骤六:离心分离处理后，收集上层清液，即得到N-二甲基甲酰胺中的高质量石墨烯稳定分散液。
石墨烯的原子力显微镜照片如图3所示。
实施例2，以在水和丙酮的混合溶液中，搅拌产生湍流剥离鳞片石墨而制备高质量石墨烯为实施例，用于产生湍流的搅拌装置如图2a、图2b所示，详述工艺步骤如下：
步骤一：配置水和丙酮的混合溶液400mL，丙酮质量分数为75%，其余为去离子水，将1200mg鳞片石墨粉分散于其中，得到3mg/mL的石墨分散液，并将它装入搅拌容器内；
步骤二：搅拌速度5000rpm，对应的雷诺数为2×106，获得湍流；
步骤三：用湍流处理石墨分散液2h；
步骤四:把经过湍流处理后的分散液静置1小时，然后把上层分散液取出来；
步骤五:把取出来的上层分散液装入离心管中，然后以64g的离心加速度离心处理45min；
步骤六:离心分离处理后，收集上层清液，即得到水和丙酮混合溶液中的高质量石墨烯稳定分散液。
实施例3，以在N-甲基吡咯烷酮中，搅拌产生湍流剥离可膨胀石墨而制备高质量石墨烯为实施例，用于产生湍流的搅拌装置如图2a、图2b所示，详述工艺步骤如下：
步骤一:称取可膨胀石墨粉1200mg，分散在400mL N-甲基吡咯烷酮溶剂中，得到3mg/mL的石墨分散液；
步骤二：将配好的石墨分散液转移至搅拌容器中，搅拌速度5000rpm，对应的雷诺数为2×106，获得湍流；
步骤三：用湍流处理石墨分散液0.5h；
步骤四:把经过湍流处理后的分散液静置1小时，然后把上层分散液取出来；
步骤五:把取出来的上层分散液装入离心管中，然后以64g的离心加速度离心处理45min；
步骤六:离心分离处理后，收集上层清液，即得N-甲基吡咯烷酮溶剂中的高质量石墨烯稳定分散液。
显然，本发明的上述实施案例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (3)
1.一种制备高质量石墨烯的湍流方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一:称取鳞片石墨粉1200mg，分散在400mL N-二甲基甲酰胺溶剂中，得到3mg/mL的石墨分散液；
步骤二：将配好的石墨分散液转移至搅拌容器中，搅拌速度5000rpm，对应的雷诺数为2×106，获得湍流；
步骤三:用湍流处理石墨分散液1h；
步骤四:把经过湍流处理后的分散液静置1小时，然后把上层分散液取出来；
步骤五:把取出来的上层分散液装入离心管中，然后以64g的离心加速度离心处理45min；
步骤六:离心分离处理后，收集上层清液，即得到N-二甲基甲酰胺中的高质量石墨烯稳定分散液。
2.一种制备高质量石墨烯的湍流方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：配置水和丙酮的混合溶液400mL，丙酮质量分数为75％，其余为去离子水，将1200mg鳞片石墨粉分散于其中，得到3mg/mL的石墨分散液，并将它装入搅拌容器内；
步骤二：搅拌速度5000rpm，对应的雷诺数为2×106，获得湍流；
步骤三：用湍流处理石墨分散液2h；
步骤四:把经过湍流处理后的分散液静置1小时，然后把上层分散液取出来；
步骤五:把取出来的上层分散液装入离心管中，然后以64g的离心加速度离心处理45min；
步骤六:离心分离处理后，收集上层清液，即得到水和丙酮混合溶液中的高质量石墨烯稳定分散液。
3.一种制备高质量石墨烯的湍流方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一:称取可膨胀石墨粉1200mg，分散在400mL N-甲基吡咯烷酮溶剂中，得到3mg/mL的石墨分散液；
步骤二：将配好的石墨分散液转移至搅拌容器中，搅拌速度5000rpm，对应的雷诺数为2×106，获得湍流；
步骤三：用湍流处理石墨分散液0.5h；
步骤四:把经过湍流处理后的分散液静置1小时，然后把上层分散液取出来；
步骤五:把取出来的上层分散液装入离心管中，然后以64g的离心加速度离心处理45min；
步骤六:离心分离处理后，收集上层清液，即得N-甲基吡咯烷酮溶剂中的高质量石墨烯稳定分散液。
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