CN105084353B - 一种石墨烯材料的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯材料的生产方法，属于石墨烯技术领域。其包括以下工艺步骤：取1‑100重量份石墨、0.01‑10重量份F物质和0.01‑10份碱性物质加入到水和/或能够溶解上述物质的溶剂中，再剪切搅拌和/或超声波处理30分钟以上，得到石墨烯分散液；所得的石墨烯分散液去除溶剂后，即得到石墨烯产品。该方法避免了使用成本较高或环境危害严重的强氧化剂、强还原剂等化工原料，可以保留石墨烯较高的物理性能，并且工艺操作极为简单、成本低、环境污染小，适合工业化量产高质量石墨烯。

Description

一种石墨烯材料的生产方法

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种石墨烯材料的生产方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子按照六边形排布并相互连接而成的特殊二维材料，因其具有高导电性、高机械强度、超大比表面积等特点可以被用来制备高速处理器、高灵敏度传感器、触摸显示屏、超级电池及高效太阳能电池等多种新型器件，在电子、航天军工、新能源等各种领域具有重要应用价值。

目前国内外有许多关于石墨烯制备方法的报道，但从高质量、低成本量产等实际需求来看，大多数已报道的石墨烯制备方法都具有各种各样的缺陷。比如，微机械剥离法通过直接从原料剥离来获得单层或多层石墨烯，该方法虽然操作相对简单，制得的石墨烯质量相对较高，但具有耗时、产率低下、产品尺寸不易控制等缺点，不适于大规模量产；Coleman等人通过在十二烷基苯磺酸钠和水的溶液中超声处理石墨的方法制得了性能较好的石墨烯，但所获得石墨烯分散液浓度很低；Li等人以四丁基氢氧化铵(TBA)作为插层物质，对用发烟硫酸（oleum）预处理过的石墨在溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中再插层，超声处理后获得质量较高的石墨烯，但方法中所用的插层物质等具有毒性和成本较高的问题，不利于大量生产；气相沉积法可以满足规模化生产高质量石墨烯的要求，但同时具有成本很高、工艺复杂的缺陷；氧化法是目前最常用的制备石墨烯的方法，通过使用无机强质子酸（如浓硫酸、发烟硝酸等）和强氧化剂（如高锰酸钾等）预处理原始石墨，增大了石墨层间距，并进一步超声处理得到石墨烯的水或者有机溶剂溶液；该方法相对容易量产，工艺相对简单，但所获得的石墨烯的物理性能却由于强氧化剂等物质的作用受到较大破坏，各种性能大幅降低；近年来，人们进一步提出氧化还原法采用强还原剂，如肼类还原剂来还原处理氧化石墨烯，使制得的石墨烯产品性能有较大改善，但这类方法中使用的强还原剂等物质仍存在腐蚀性强、毒性大、环境成本高等缺点和问题；此外，其他还有许多新的石墨烯制备方法，但通常都会涉及如制备工艺复杂、成本高、环境危害大等等一系列问题。

因而，为了进一步满足石墨烯产业化应用的实际需求，寻求一种工艺简单、生产成本低，并同时不会造成较高环境成本和大幅度降低石墨烯性能的简易量产方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种石墨烯材料的生产方法的技术方案。

所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

1）取1-100重量份石墨、0.01-10重量份F物质和0.01-10份碱性物质加入到水和/或能够溶解上述物质的溶剂中，再剪切搅拌和/或超声波处理30分钟以上，得到石墨烯分散液；

2）所得的石墨烯分散液去除溶剂后，即得到石墨烯产品；

上述的F物质具有以下特征：具有两个及两个以上的苯环结构，且同时具有两个及两个以上在溶剂中会带电荷的官能团。

所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中取10-90重量份石墨、0.1-5重量份F物质和0.1-5份碱性物质加入到水和/或能够溶解上述物质的溶剂中。

所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中取40-60重量份石墨、0.5-3重量份F物质和0.5-3份碱性物质加入到水和/或能够溶解上述物质的溶剂中。

所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中F物质为萘二磺酸盐、萘二磺酸盐衍生物、蒽醌二磺酸盐、蒽醌二磺酸盐衍生物、烷基二苯醚二磺酸盐、烷基二苯醚二磺酸盐衍生物、胭脂红、酸性红、诱惑红、酸性绿、喹啉黄中的一种或任意几种的混合物。

所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中石墨为天然石墨、高定向热裂解石墨、膨胀石墨、微晶人造石墨中的一种或任意几种的混合物。

所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中碱性物质为碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钾、柠檬酸钠、柠檬酸钾、醋酸钠、三乙醇胺中的一种或任意几种的混合物。

所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤2）中去除溶剂方法具体为离心、抽滤、加热烘干、冷冻干燥、喷雾干燥等常用手段中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明中所采用的F物质具有两个及两个以上的苯环结构，且同时具有两个及两个以上在溶剂中会带电荷的官能团，能非常有效地产生和稳定大量高质量石墨烯的分散液，优选方案所得石墨烯平均层数为5层以下，石墨烯浓度可为1g/L以上。

2）本发明中不涉及使用强氧化剂、特殊的插层物质、强还原剂等成本较高或会对环境产生严重危害的化学原料，因而不会像传统氧化法一样严重破坏石墨烯结构性能，从而能使本方法生产的石墨烯保有较高的物理性能，优选方案所得石墨烯电导率数量级为10⁴-10⁵S/m。

3）本发明中涉及的大多数F物质和碱性物质均为常见的化学原料，成本较低廉且环境危害性小。

4）本发明方法非常简易，无需采用复杂多步骤的工艺流程，非常适合大规模工业化生产。

附图说明

图1为本发明中所采用的F物质结构的举例示意图；

图2为本发明制得的石墨烯的拉曼光谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

称取天然石墨和膨胀石墨共40g，胭脂红、萘二磺酸钠、十烷基二苯醚二磺酸钠共4g，氢氧化钠、醋酸钠、氢氧化钾、柠檬酸钠共0.2g；将上述物质加入1L水中，然后用高速剪切乳化机以3000rpm转速搅拌6小时得到石墨烯分散液，再以3000rpm转速离心处理40min后得到上层高质量石墨烯分散液，该石墨烯分散液浓度为1g/L，所得分散液经抽滤后，得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为3层，如图2所示，经测试可得石墨烯电导率数量级为10⁴s/m。

实施例2：

称取天然石墨30g，酸性红112、蒽醌二磺酸钠、酸性绿27和双十二烷基二苯醚二磺酸钠共5g，碳酸钠、醋酸钠、三乙醇胺共0.5g；将上述物质加入1L水中，然后用高速剪切乳化机以4000rpm转速在超声设备中搅拌并同时以150W功率超声处理8小时后得到石墨烯分散液。所得分散液经抽滤后，得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为3层，经测试可得石墨烯电导率数量级为10⁴s/m。

实施例3：

称取膨胀石墨45g，酸性红27、萘二磺酸钠、蒽醌二磺酸钠、酸性绿27和喹啉黄共3.2g，氢氧化钾和氢氧化钠共0.6g；将上述物质加入1L水中，然后用高速剪切乳化机以3000rpm转速在超声设备中搅拌并同时以300W功率超声处理8小时后得到石墨烯分散液。所得分散液经抽滤后，得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为3层。

实施例4：

称取高定向热裂解石墨和微晶人造石墨共100g，酸性绿1、蒽醌二磺酸钠、喹啉黄、十烷基二苯醚二磺酸钠共10g，柠檬酸钠和氢氧化钾共1g；将上述物质加入2L水中，以300W功率超声处理8小时后得到石墨烯分散液，所得分散液经抽滤后，得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为4层。

实施例5：

称取高定向热裂解石墨60g，酸性红112、诱惑红、蒽醌二磺酸钠和酸性绿27共5.2g，三乙醇胺和柠檬酸钠共0.3g；将上述物质加入1L水中，然后用高速剪切乳化机以5000rpm转速搅拌8小时得到石墨烯分散液，所得分散液经抽滤后，得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为5层。

实施例6：

称取天然石墨和膨胀石墨共40g，双十二烷基二苯醚二磺酸钠、酸性红27、诱惑红、酸性绿1和喹啉黄共4.4g，三乙醇胺和碳酸钠1g；将上述物质加入1L乙醇和水混合溶液中，以300W功率超声处理8小时后得到石墨烯分散液，所得分散液经抽滤后，得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为5层。

实施例7：

称取高定向热裂解石墨10g，酸性红112、诱惑红、蒽醌二磺酸钠和酸性绿27共0.1g，三乙醇胺和柠檬酸钠共0.1g；将上述物质加入1L水中，然后用高速剪切乳化机以5000rpm转速搅拌8小时得到石墨烯分散液，所得分散液经抽滤后，得到石墨烯产品。该石墨烯产品进行拉曼光谱测试可知所制得石墨烯平均层数为5层。

上述实施例中，F物质采用如图1所示的任一种或几种物质，最后所得的石墨烯平均层数为5层以下，石墨烯浓度可为1g/L以上，石墨烯电导率数量级为10⁴-10⁵S/m。

以上F物质仅为对本发明中F物质结构特征进行举例说明，不能理解为对本发明保护范围的严格限制。

Claims (5)

1.一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

1）取1-100重量份石墨、0.01-10重量份F物质和0.01-10份碱性物质加入到水和/或能够溶解上述物质的溶剂中，再剪切搅拌和/或超声波处理30分钟以上，得到石墨烯分散液；

2）所得的石墨烯分散液去除溶剂后，即得到石墨烯产品；

上述的F物质具有以下特征：具有两个以上的苯环结构的盐类，且同时具有两个以上在溶剂中会带电荷的官能团，具体为萘二磺酸盐、蒽醌二磺酸盐、烷基二苯醚二磺酸盐、胭脂红、酸性红、诱惑红、酸性绿、喹啉黄中的一种或任意几种的混合物；

所述的碱性物质为碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钾、柠檬酸钠、柠檬酸钾、醋酸钠、三乙醇胺中的一种或任意几种的混合物。

2.如权利要求1所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中取10-90重量份石墨、0.1-5重量份F物质和0.1-5份碱性物质加入到水和/或能够溶解上述物质的溶剂中。

3.如权利要求1所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中取40-60重量份石墨、0.5-3重量份F物质和0.5-3份碱性物质加入到水和/或能够溶解上述物质的溶剂中。

4.如权利要求1所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤1）中石墨为天然石墨、高定向热裂解石墨、膨胀石墨、微晶人造石墨中的一种或任意几种的混合物。

5.如权利要求1所述的一种石墨烯材料的生产方法，其特征在于所述的步骤2）中去除溶剂方法具体为离心、抽滤、加热烘干、冷冻干燥、喷雾干燥中的一种或多种。