CN105088261B - 石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯的制备方法。所述方法包括：a)用浓硫酸将石墨氧化，得到氧化石墨；b)将所述氧化石墨与能够与稀酸反应的金属粉末和树脂混合，并冲压制备成分解电极；c)将铂电极、所述分解电极和任选的普通石墨电极置入稀酸水溶液中，在还原气氛下通电进行电解直至分解电极消失，得到经电解的溶液；d)过滤所述经电解的溶液，用水洗涤，加入聚乙烯吡咯烷酮，并进行超声，从而得到石墨烯。本发明还提供了通过所述方法制得的石墨烯。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯的制备方法以及通过所述方法所制得的石墨烯。
背景技术
石墨烯是单原子层的石墨薄膜，其晶格是由碳原子构成的二维蜂窝结构。石墨烯是目前已知在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了一般导体。另外，石墨烯非常牢固坚硬，其硬度高于钻石，强度优于钢铁，理想强度可达110GPa～130GPa。石墨烯除了具有特殊的结构外，还具有诸多独特性质，最为显著是导热性和机械强度。同时，石墨烯又是一种非常优异的半导体材料，具有比硅高很多的载流子迁移率。石墨烯还具有良好的透光性，是传统ITO膜潜在的替代产品。因此，石墨烯可以用于制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料、超灵敏传感器等。
石墨烯的制备方法主要有化学还原法、微机械剥离法和化学气相沉淀法，后两种方法产量较低，对工艺要求较高。因此目前主要采用化学试剂还原法。化学试剂还原法以氧化石墨为原料，通常使用还原剂，如二甲肼、对苯二酚和硼氢化钠等来还原氧化石墨，从而得到石墨烯。但是这些还原剂毒性较大或者易燃，不利于操作人员的健康，操作也较为不便，而且会引入其他官能团而影响石墨烯的电子结构和晶体的完整性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯的制备方法，该方法操作简单、环保且廉价无毒，并能够制得保持电子结构和晶体的完整性的石墨烯，也能够制得较大面积的单层石墨烯。
有鉴于此，本发明提供了一种石墨烯的制备方法，所述方法包括：
a)、用浓硫酸将石墨氧化，得到氧化石墨；
b)、将所述氧化石墨与能够与稀酸反应的金属粉末和树脂混合，并冲压制备成分解电极，
c)、将铂电极、所述分解电极和任选的普通石墨电极置入稀酸水溶液中，在还原气氛下通电进行电解直至分解电极消失，得到经电解的溶液；
d)、过滤所述经电解的溶液，用水洗涤，加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，并进行超声，从而得到石墨烯。根据一个具体实施方案，在步骤b)中，所述能够与稀酸反应的金属包括能够与稀酸反应生成可溶于水的盐的所有金属，例如但不限于锌、镁等金属，并且所述氧化石墨的质量与所述金属的摩尔数之比为105:0.14至105:0.16。
根据一个具体实施方案，在步骤b)中，所述稀酸可选自本领域常用的稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸等无机强酸。
根据一个具体实施方案，在步骤b)中，所述树脂可选自天然树脂以及其他具有一定粘结性的所有合适的树脂，例如但不限于三聚氰胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂等，并且所述氧化石墨与所述树脂的质量比为10:0.2至10:1.5。
根据一个具体实施方案，在步骤b)中，冲压在70℃-100℃的温度和10个大气压的压力下进行，所得到的分解电极的形状为任意形状。
根据一个具体实施方案，在步骤c)中，电解可使用直流电或交流电，电流密度为0.05mA/cm2-15mA/cm2。
根据一个具体实施方案，在步骤c)中，所述稀酸水溶液选自硫酸、盐酸或硝酸的水溶液，其浓度为0.01M至0.1M。
根据一个具体实施方案，所述还原气氛为本领域常用的还原气氛，例如氮气氛、氩气氛等。
根据一个具体实施方案，在步骤d)中，超声在500～2000W，10KHz～20KHz下进行。
本发明的石墨烯的制备方法操作简单、环保且其廉价无毒，在电解过程中不会引入其他官能团，有利于保持石墨烯的电子结构和晶体的完整性，并且通过进一步的超声分散可以制得较大面积的单层石墨烯。
附图说明
图1为根据本发明的石墨烯的制备方法的流程图。
图2为根据本发明的石墨烯的制备方法所制得的以云母为基底的石墨烯的原子力显微图谱。
具体实施方式
为了让本发明的上述及其他目的、特征、优点能更明显易懂，下文将结合附图和较佳实施例详细说明本发明。
图1显示了根据本发明的石墨烯的制备方法的流程图。在S101中，使用浓硫酸将石墨氧化，从而得到氧化石墨。在S102中，将氧化石墨与能够与稀酸反应的金属粉末和树脂混合，冲压制备成分解电极。所述能够与稀酸反应的金属可包括能够与稀酸反应生成可溶于水的盐的所有合适的金属，例如锌、镁等，并且氧化石墨的质量与金属的摩尔数之比为105:0.14至105:0.16。所述树脂可选自三聚氰胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂等，并且氧化石墨与树脂的质量比为10:0.2至10:1.5。所述稀酸可选自本领域常用的稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸等无机强酸。冲压在70℃-100℃的温度和10个大气压的压力下进行。在S103中，将铂电极、所述分解电极和任选的普通石墨电极置入稀酸水溶液中，在还原气氛下通电进行电解直至分解电极消失，得到经电解的溶液。所述还原气氛为本领域常用的还原气氛，例如氮气氛、氩气氛等。所述电解可使用直流电或交流电，电流密度为0.05mA/cm2-15mA/cm2。所述稀酸水溶液可选自硫酸、盐酸、硝酸等无机强酸的水溶液，其浓度为0.01M至0.1M。在S104中，过滤经电解的溶液，用水洗涤，加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，并在500～2000W，10KHz～20KHz下超声，从而得到石墨烯。
如下结合实施例具体描述本发明。在实施例中所用的原料包括来自各种销售商的市售天然石墨、浓硫酸、环氧树脂、纳米锌粉、石蜡、氮气(纯度99.99％)；所用的仪器包括超声波发生器(上海生析FS-2000T)、自制大面积铂片电极(纯度99.99％，聚四氟乙烯外套)。
实施例1：
在冰水浴中用100毫升浓硫酸将100克石墨氧化，得到作为黑色粘稠状液体的105克氧化石墨。将该105克氧化石墨与10克纳米级金属锌粉末和3克环氧树脂混合，冲压制备成直径为1厘米的圆柱状分解电极，并在其表面涂布厚度为30微米保护蜡层。放入稀酸溶液前将保护蜡层剥开一点，将普通石墨电极、铂电极和所述分解电极置入0.1摩尔/升的稀硫酸溶液中，在氮气下通电300分钟，直至分解电极消失。将经电解的溶液过滤，使用纯水洗涤产物，加入1克PVP，并超声60分钟，得到100克石墨烯。
图2显示了所得到的石墨烯(以云母为基底)原子力显微图谱，可以看出，石墨烯为厚度为1.1纳米的单层石墨烯。所得单层石墨烯相比通过其他常规方法，如机械剥离法制备的石墨烯面积更大。
Claims (10)
1.一种石墨烯的制备方法，所述方法包括：
a)、用浓硫酸将石墨氧化，得到氧化石墨；
b)、将所述氧化石墨与能够与稀酸反应的金属粉末和树脂混合，并冲压制备成分解电极；
c)、将铂电极、所述分解电极和任选的普通石墨电极置入稀酸水溶液中，在还原气氛下通电进行电解直至分解电极消失，得到经电解的溶液；
d)、过滤所述经电解的溶液，用水洗涤，加入聚乙烯吡咯烷酮，并进行超声，从而得到石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤b)中，所述能够与稀酸反应的金属为能够与稀酸反应生成可溶于水的盐的金属，并且所述氧化石墨的质量与所述金属的摩尔数之比为105:0.14至105:0.16。
3.根据权利要求2所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤b)中，所述能够与稀酸反应的金属选自锌和镁。
4.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤b)中，所述树脂选自三聚氰胺树脂、酚醛树脂和环氧树脂，并且所述氧化石墨与所述树脂的质量比为10:0.2至10:1.5。
5.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤b)中，所述冲压在70℃-100℃的温度和10个大气压的压力下进行。
6.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤b)中，所述稀酸选自如下无机强酸：稀硫酸、稀盐酸和稀硝酸。
7.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤c)中，所述电解使用直流电或交流电，电流密度为0.05mA/cm2-15mA/cm2。
8.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤c)中，所述稀酸水溶液选自硫酸、盐酸或硝酸的水溶液，其浓度为0.01M至0.1M。
9.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其中在步骤d)中，超声在500～2000W，10KHz～20KHz下进行。
10.一种石墨烯，其通过如权利要求1至9中任一项所述的方法制得。
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