CN105417538A - 一种采用射流预处理制备石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用射流预处理制备石墨烯的方法，包括如下的步骤：1)将块状石墨(10)有片层结合的一端放置在射流机(20)的喷口(21)前；2)启动射流机，将包含有小尺寸原初石墨烯(32)的流体(30)喷射到块状石墨的一端，持续喷射到两层石墨片(11)之间嵌入有原初石墨烯(32)；3)取下被喷射处理过的块状石墨，清理块状石墨上表面和下表面上的残余流体；4)从块状石墨嵌有原初石墨烯的一端开始，粘贴后逐层撕扯出石墨烯；5)重复步骤4)，直到获得足够多的石墨烯。本发明采用射流将小尺寸石墨烯嵌入到块状石墨的片层之间，使得大尺寸和预定形状的石墨烯从块状石墨中很容易分离出来。

Description

一种采用射流预处理制备石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及一种利用机械法制备石墨烯的方法，具体是一种采用射流预处理制备石墨烯的方法。

背景技术

目前石墨烯的制备方法主要有机械法、氧化法、基片生长法和液相法，其中机械法是直接采用机械解理从块状石墨剥离出石墨烯的方法，这种机械解理可制备出高质量和大尺寸的石墨烯，但是效率和产量都极低，很难获得预期尺寸和形状的石墨烯，自胶带黏贴的微机械解理法制备出石墨烯以后，机械方法基本没有更大的进展。

基于此，特提出本发明。

发明内容

本发明为了解决现有机械法制备石墨烯存在很难获得预期尺寸和形状的石墨烯的问题，提出一种采用射流预处理制备石墨烯的方法，可以方便地制备出预期尺寸和形状的石墨烯。

本发明的技术方案是：一种采用射流预处理制备石墨烯的方法，包括如下的步骤：

1)将块状石墨有片层结合的一端放置在射流机的喷口前；

2)启动射流机，将包含有小尺寸原初石墨烯的流体喷射到块状石墨的一端，持续喷射到两层石墨片之间嵌入有原初石墨烯；

3)取下被喷射处理过的块状石墨，清理块状石墨上表面和下表面上的残余流体；

4)从块状石墨嵌有原初石墨烯的一端开始，粘贴后逐层撕扯出石墨烯；

5)重复步骤4)，直到获得足够多的石墨烯。

此方法可以方便地制作出大尺寸的石墨烯。

进一步地，所述块状石墨为高定向热解石墨。高定向热解石墨中的杂质少，片层结构非常规范，可以连续制备出大尺寸的石墨烯。

进一步地，所述流体的主体物质为水、乙醇或者其他有机溶剂。

进一步地，所述流体中还包含有表面活性剂。在石墨片间嵌入原初石墨烯后，表面活性剂进入石墨片间，从而阻止石墨片之间的结合，进一步分离石墨片。

所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或者吐温80。这些表面活性剂都是环境友好型的物质，对操作者无毒性。

进一步地，所述射流机有流体收集装置和过滤装置，被收集并过滤后的流体被重新利用，从射流机的喷口喷出，射向块状石墨。这样可以循环使用喷射的流体，达到设备小型化的效果。

进一步地，在步骤1)之前对块状石墨需要喷射的一端端面进行镜面抛光。形成一个表面粗糙度很高的光滑平面，有利于原初石墨烯嵌入到石墨片层之间。

进一步地，在步骤1)之前对块状石墨进行形状加工，把需要喷射的一端加工成梯形形状。这样设置后，可以只处理很小面积的端面，但是能得到期望形状和大尺寸的石墨烯。

本发明的原理是：石墨是由多层石墨片组成的物质，层间的距离约为0.335nm，这个距离很小，甚至小于很多物质原子和分子的直径，因此在通常条件下很少有物质能够进入到石墨层之间。石墨烯的厚度只有一个碳原子直径大小，也就是约0.18nm，小于石墨的层间距离。利用石墨烯本身厚度只有一个原子直径大小的特点，同时利用石墨烯超高的硬度和强度，通过射流的流体裹挟，将一些原初石墨烯嵌入到石墨层的片层之间，让原来紧密的石墨片层出现缺陷，从而让单层石墨片即石墨烯从石墨中剥离出来；另外由于原初石墨烯的干扰，给粒子尺寸较大的流体如水和表面活性剂得以进入到石墨片层之间的机会，进一步破坏了石墨片层之间的范德华力，在流体的冲击下，单片或者少量片层的石墨烯被制备出来。

本发明的有益效果是：1、通过将原初石墨烯嵌入到石墨片层间，破坏了块状石墨的原有结构，使得石墨烯从块状石墨中剥离出来；2、通过表面活性剂的分散作用，加速了块状石墨片层的分离；3、采用无毒性的表面活性剂，能够让制备过程产生的污染物质减少，对环境和人员都有益；4、流体循环使用，可以使得制备装置小型化；5、对块状石墨的端面和形状进行预先处理，可以提高制备效率和获得期望尺寸、形状的产品。

附图说明

图1是本发明原初石墨烯嵌入石墨片层间的示意图。

图2是本发明一个实施例中所采用块状石墨的外观示意图。

其中10-块状石墨，11-石墨片，111-石墨片上的碳原子，12-需要喷射的一端，13-端面，20-射流机，21-喷口，30-流体，31-流体主体物质的粒子，32-原初石墨烯，321-原初石墨烯上的碳原子，33-表面活性剂的粒子。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明一种射流制备石墨烯的方法做进一步地说明，在本发明中涉及到的一些名词，都具有本领域内常用的技术含义，除非本发明中有特别申明的名词。在本发明中，块状石墨是成块状的石墨；流体主体物质是包含有多种物质的流体中的主要物质成分，通常是液态的物质，如水、乙醇或其他有机溶剂等，如果技术允许，它也不排斥其他形态的物质，例如气体；原初石墨烯是投入进流体中的小尺寸石墨烯，其用于嵌入到石墨片间，原初石墨烯与新制备出来的石墨烯是同一成分。

如图1所示，一种采用射流预处理制备石墨烯的方法，包括如下的步骤：

1)将块状石墨10有片层结合的一端放置在射流机20的喷口21前；

2)启动射流机20，将包含有小尺寸原初石墨烯的流体30喷射到块状石墨10的一端，持续喷射到两层石墨片11之间嵌入有原初石墨烯32；

3)取下被喷射处理过的块状石墨10，清理块状石墨10上表面和下表面上的残余流体；

4)从块状石墨10嵌有原初石墨烯32的一端开始，粘贴后逐层撕扯出石墨烯；

5)重复步骤4)，直到获得足够多的石墨烯。

此方法可以方便地制作出大尺寸的石墨烯。在喷射机20射流的冲击和推动下，裹挟在流体30中的原初石墨烯32由于厚度很薄，一些端面中的原初石墨烯上的碳原子321能够克服石墨片11之间的范德华力，嵌入到石墨片11之间，影响相邻层石墨片上的碳原子111，导致这些相邻层石墨片上的碳原子111之间的距离增加，在后续的流体主体物质的粒子31的冲击下，这些插入有原初石墨烯32的石墨片11之间的距离越来越大，给原本粒子直径大于石墨片11间距离的流体主体物质的粒子31进入石墨片11间制造了机会。经过射流预处理的块状石墨10在喷射有原初石墨烯32的一端形成了很多结构缺陷，其表面一层的石墨片（即石墨烯）靠近被处理端的部分形成一个向上或者向下的翘曲，此时将胶片或者粘胶粘住表层的石墨片（即石墨烯），然后进行撕扯，表层的石墨烯就很容易地被揭下来，接着第二层的石墨片（即石墨烯）靠近被处理端的部分也形成一个向上或者向下的翘曲，用胶片或者粘胶粘住这层石墨片（即石墨烯），然后进行撕扯，该层石墨烯也很容易地被揭下来，如此一直操作下去，就能获得足够多的大尺寸石墨烯。

块状石墨10可以采用高定向热解石墨，因为高定向热解石墨中的杂质含量少，片层结构非常规范，可以连续制备出大尺寸的石墨烯。

流体30中还包含有表面活性剂。尽管表面活性剂的粒子33的尺寸较大，在石墨正常的片层结构中容纳不下表面活性剂的粒子33，但是当原初石墨烯32在石墨片11之间造成结构缺陷后，石墨片11之间的距离已经给了表面活性剂的粒子33进入的机会，表面活性剂的粒子33进入石墨片11间后，随着射流继续推动，后面的流体主体物质的粒子31和表面活性剂的粒子33也进入石墨片11之间，石墨片11之间依靠范德华力结合的面积逐渐被侵蚀，石墨片11之间进一步被分离。

流体30的主体物质可以是常用溶剂，例如水、乙醇或者其他有机溶剂，优选为水。

表面活性剂可以选用制造纳米材料时常用的表面活性剂，优选的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或者吐温80，这些表面活性剂都是环境友好型的物质，对操作者无毒性。

射流机20有流体收集装置和过滤装置，收集并过滤掉粗大尺寸石墨片后的流体30被重新利用，从射流机20的喷口21喷出，射向块状石墨10。这样可以循环使用喷射的流体，达到设备小型化的效果。

为了使得原初石墨烯32能够快速准确地嵌入到石墨片11之间，在喷射之前对块状石墨10需要喷射的一端12端面13进行镜面抛光，形成一个表面粗糙度很高的光滑平面，有利于原初石墨烯32嵌入到石墨片11之间。

由于石墨烯从块状石墨10中分离最困难的一步是初始时的分离，一旦初始分离获得成功，随后的石墨烯从块状石墨10中揭出就变得非常容易，因此，在射流预处理之前，将块状石墨10的形状进行加工，把需要喷射的一端12制造成梯形形状，如图2所示，这样设置后，可以只处理很小面积的端面13，但是能得到期望形状和大尺寸的石墨烯。当然了，需要喷射的一端12也可以制造其他形状，例如三角形。

以上对本发明所提供的一种采用射流预处理制备石墨烯的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

1)将块状石墨(10)有片层结合的一端放置在射流机(20)的喷口(21)前；

2)启动射流机(20)，将包含有小尺寸原初石墨烯(32)的流体(30)喷射到块状石墨(10)的一端，持续喷射到两层石墨片(11)之间嵌入有原初石墨烯(32)；

3)取下被喷射处理过的块状石墨(10)，清理块状石墨(10)上表面和下表面上的残余流体(30)；

4)从块状石墨(10)嵌有原初石墨烯(32)的一端开始，粘贴后逐层撕扯出石墨烯；

5)重复步骤4)，直到获得足够多的石墨烯。

2.如权利要求1所述的采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，所述块状石墨(10)为高定向热解石墨。

3.如权利要求1或2所述的采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，所述流体(30)的主体物质是水、乙醇或者其他有机溶剂。

4.如权利要求1~3任意一项所述的采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，所述流体(30)中还包含有表面活性剂。

5.如权利要求4所述的采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或者吐温80。

6.如权利要求1~5任意一项所述的采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，所述射流机(20)有流体收集装置和过滤装置，被收集并过滤后的流体(30)被重新利用，从射流机(20)的喷口(21)喷出，射向块状石墨(10)。

7.如权利要求1~6任意一项所述的采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，在步骤1)之前对块状石墨(10)需要喷射的一端(12)端面(13)进行镜面抛光。

8.如权利要求1~7任意一项所述的采用射流预处理制备石墨烯的方法，其特征在于，在步骤1)之前对块状石墨(10)进行形状加工，把需要喷射的一端(12)加工成梯形形状。