CN106865508A - 一种高速分散剥离白石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米材料领域，具体公开了一种高速分散剥离白石墨烯的方法，具体步骤为：将h‑BN粉末、表面活性剂、分散介质混合溶解后，采用搅拌速度为5000‑18000rpm下进行搅拌剥离，搅拌过程采用冰水降低体系温度，总搅拌时间为10‑240h；所述h‑BN粉末与表面活性剂的质量体积比为1:50‑10:1；所述h‑BN与分散介质加入质量比为1:100‑1:2000；研磨完成后，所得粉体采用酒精洗涤，离心分离，然后烘干干燥，得到白石墨烯分散体。本发明方法能有效剥离白石墨烯颗粒，所制备得的白石墨烯具有颗粒均匀、层数少、比表面积大、纯度高的特点，能很好的分散在酒精等溶剂中，保存数十天不产生团聚沉降作用。

Description

一种高速分散剥离白石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种高速分散剥离白石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯的发现引发了科学界对二维材料的研究热潮。二维材料具有高的比强度、良好的电学和热学性能、良好的透光性等，引发了科学界对其进行广泛的研究。过度金属硫化物、h-BN、硅烯、高岭石等一系列的二维材料被开发出来，这些产品具有优异的性能使得其在工业上的应用被人们赋予广泛的期待。h-BN作为一种新型的二维材料，同样具备优良的性能。
白石墨烯结构与石墨烯结构类似：其本质是单层或者六方结构的二维结构，sp2杂化的B、N原子按1:1形成共价结合，其在第三维方向上层与层之间通过范德华力结合。
由于h-BN摩擦系数低，在工业上常作为一种性能优良的润滑剂而被广泛应用。并且BN也因力学性能良好以及热稳定性能好而被人们所熟知。二维h-BN材料由于其特殊的结构，具备极高的机械强度；禁带宽度宽，是一种良好的绝缘体，且具极好的化学稳定性：在1000℃以上空气中能够稳定存在；具高的热导率：是目前热导率最高的材料之一，在很多领域，如光电子、磁能、储能、催化等领域具有广阔的应用前景。
h-BN二维材料具备诸多优良的性能及广泛的应用前景，但目前尚不能大规模制备具备结构完整、性能良好的h-BN二维材料。传统微机械剥离，是采用胶带将h-BN剥离，所制备的h-BN虽然结构完整但产量过低，不适宜工业大规模生产；化学液相剥离等常用到有毒有害的有机溶剂，且氧化及离子嵌入等对其物理结构及电子结构有一定影响，所制备得的h-BN电学性能不佳。化学气相沉积法能够准确控制h-BN层数，所制备的h-BN质量好，但其成本高昂。可见，现有的白石墨烯制备方法，尚缺乏能兼顾石墨烯的质量和工业化生产的要求，这极大地限制了其应用。如何经济地生产性能优良白石墨烯也是目前其研究的重点之一，此外，由于白石墨烯存在巨大的比表面积而具备极高范德华力，导致白石墨烯片易产生不可逆的团聚，因此提高其分散性同样对其应用具有较大的意义。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种高速分散剥离白石墨烯的方法，该方法能有效剥离白石墨烯颗粒，所制备得的白石墨烯具有颗粒均匀、层数少、比表面积大、纯度高的特点，能很好的分散在酒精等溶剂中，保存数十天不产生团聚沉降作用。且该方法操作过程简单，成本低，适合应用于工业生产。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
本发明的高速分散剥离白石墨烯的方法，具体步骤为：
步骤1)将白石墨烯(h-BN)粉末、表面活性剂、分散介质混合溶解后，采用搅拌速度为5000-18000rpm进行搅拌剥离，搅拌过程采用冰水降低体系温度，总搅拌时间为10-240h；
所述白石墨烯(h-BN)粉末与表面活性剂的质量比为1:50-10:1；所述白石墨烯(h-BN)与分散介质加入质量比为1:100-1:2000；
步骤2)研磨完成后，所得粉体采用酒精洗涤，离心分离，然后烘干干燥，得到剥离后的白石墨烯分散体。
根据液相剥离理论，分散介质的表面能接近白石墨烯的表面能(25-40mJ/m2)时，液相剥离具有最佳的效率和质量。
由于h-BN存在π键，且B、N原子分别带微弱正电、负点，此特性使其能够吸附表面活性剂。表面活性剂在h-BN上的充分吸附能形成空间位阻和电荷位阻，防止分离的h-BN纳米片团聚、促进剥离。
本发明搅拌剥离足够长时间后，所制备得的白石墨烯分散体能长时间的分散在酒精、丙酮等水溶液中，不产生团聚沉降等现象。
进一步的，所述分散介质为低分子量醇和/或酮的水溶液。
作为优选的，所述分散介质的表面张力约为25-40mJ/m2。
作为优选的，所述低分子量醇和/或酮的水溶液，为低分子量醇和/或酮与水的质量比为1:10-2:1，更优选1:5-2:1。
作为优选的，所述低分子量醇为：甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、乙二醇等中的至少一种；所述低分子量酮为丙酮。
进一步的，所述表面活性剂为具长链路易斯酸或长链路易斯碱的表面活性剂中的至少一种。
作为优选的，所述表面活性剂为具长链路易斯酸的高级脂肪酸、酮、醛等及其相应衍生物中的至少一种；或具长链路易斯碱的烯烃、芳香化合物、胺、醚等中的至少一种。
作为进一步优选，所述长链路易斯酸的表面活性剂为：棕榈酸、软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、软脂酸、十八酮、3-甲基环十三酮、环十四烷酮，3-十六酮、棕榈醛、椰子醛、二十烷醛等中的至少一种；
所述长链路易斯碱的表面活性剂为：十八胺、油胺、端胺基聚乙二醇、聚苯乙炔、聚噻吩、聚苯乙烯磺酸钠、十二烷基苯、4-十二烷基苯胺、聚氧乙烯辛烷基苯酚醚、缩水甘油12-14烷基醚、六聚乙二醇单十六醚、四乙烯甘醇单十四醚、六聚乙二醇单十四醚等中的至少一种。
本发明的有益效果为：
本发明方法所制备的白石墨烯分散体粒径大、厚度薄、比表面积大：厚度均小于10nm，并且薄片的厚度可低至1个纳米，粒径尺寸分布在数百纳米至数微米，比表面积高达100-1500m2/g。
本发明制备过程中无强酸碱、有毒有害添加剂等，绿色环保，生产效率高、产量大，且设备简单、成本低廉，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所制备得的白石墨烯分散体的SEM照片；
图2为实施例1所制备得的白石墨烯分散体的AFM照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.2g白石墨烯(h-BN)于烧杯中、加入150g乙醇和150g去离子水，量取4g环十四烷酮，加入烧杯中，搅拌使之完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以10000rpm高速搅拌72h，并以冰水降低体系温度，以防止高速搅拌导致温度升高，分散介质损失过快。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
图1为本实施例所制得产品的SEM照片，从中可以看出通过搅拌剥离，剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；图2为原子力显微镜检测照片，图中大部分薄片厚度为2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为470m2/g。
实施例2
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.5g白石墨烯(h-BN)、200g乙醇和200g去离子水于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。量取10g油酸，放入烧杯中，搅拌使其完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以13000rpm高速搅拌48h，并以冰水降低体系温度。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度为3nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为350m2/g。
实施例3
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.2g白石墨烯(h-BN)、100g丙酮和100g去离子水于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。量取2g十八胺于烧杯中，同样搅拌使其完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以13000rpm高速搅拌24h，并以冰水降低体系温度。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度为5nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为200m2/g。
实施例4
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.5g白石墨烯(h-BN)、150g丙酮和150g去离子水，量取4g环十四烷酮，加入烧杯中，搅拌使其完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以15000rpm高速搅拌15h，并以冰水降低体系温度。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度为4nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为230m2/g。
实施例5
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.2g白石墨烯(h-BN)、100g丙酮和200g去离子水，量取4g4-十二烷基苯胺，放入烧杯中，搅拌使之完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以18000rpm高速搅拌12h，并以冰水降低体系温度。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度为5nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为250m2/g。
实施例6
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.2g白石墨烯(h-BN)、100g异丙醇和50g去离子水，量取4g软脂酸、4g椰子醛，放入烧杯中，搅拌使之完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以10000rpm高速搅拌60h，并以冰水降低体系温度。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度为2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为480m2/g。
实施例7
本实施例具体制备工艺步骤：称量5g白石墨烯(h-BN)、1000甲醇、500g丙酮和1500g去离子水，量取1g六聚乙二醇单十六醚，放入烧杯中，搅拌使之完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以8000rpm高速搅拌160h，并以冰水降低体系温度。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度为2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为740m2/g。
实施例8
本实施例具体制备工艺步骤：称量5g白石墨烯(h-BN)、2000乙醇、500g叔丁醇和2000g去离子水，量取1g油胺、1g缩水甘油12-14烷基醚，放入烧杯中，搅拌使之完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以6000rpm高速搅拌220h，并以冰水降低体系温度。
搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度为2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通过检测比表面积为600m2/g。
对比例1
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.2g白石墨烯(h-BN)于烧杯中、加入150g乙醇和150g去离子水，量取4g环十四烷酮，加入烧杯中，搅拌使之完全溶解。
将上述所配溶液用高速分散机以10000rpm高速搅拌5h，并以冰水降低体系温度。搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度大部分大于20nm；部分薄片厚度为50nm，部分h-BN厚度可低至5nm左右。通过检测比表面积为60m2/g。
对比例2
本实施例具体制备工艺步骤：称量0.2g白石墨烯(h-BN)于烧杯中、加入150g乙醇和150g去离子水，不加表面活性剂。
将上述所配溶液用高速分散机以10000rpm高速搅拌80h，并以冰水降低体系温度。搅拌剥离完毕后将白石墨烯经过酒精洗涤后离心分离，在马弗炉中60℃烘干处理得到白石墨烯分散体产品。
剥离后的白石墨烯纳米片粒径大于250nm，纳米片厚度大部分大于20nm；部分薄片厚度为50nm，部分h-BN厚度可低至5nm左右。通过检测比表面积为30m2/g。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种高速分散剥离白石墨烯的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1)将白石墨烯粉末、表面活性剂、分散介质混合溶解后，采用搅拌速度为5000-18000rpm下进行搅拌剥离，搅拌过程采用冰水降低体系温度，总搅拌时间为10-240h；
所述白石墨烯粉末与表面活性剂的质量比为1:50-10:1；所述白石墨烯与分散介质加入质量比为1:100-1:2000；
步骤2)研磨完成后，所得粉体采用酒精洗涤，离心分离，然后烘干干燥，得到白石墨烯分散体。
2.根据权利要求1所述的高速分散剥离白石墨烯的方法，其特征在于，所述分散介质为低分子量醇和/或酮的水溶液。
3.根据权利要求2所述的高速分散剥离白石墨烯的方法，其特征在于，所述低分子量醇和/或酮的水溶液，为低分子量醇和/或酮与水的质量比为1:10-2:1。
4.根据权利要求2所述的高速分散剥离白石墨烯的方法，其特征在于，所述低分子量醇为：甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、乙二醇等中的至少一种；所述低分子量酮为丙酮。
5.根据权利要求1所述的高速分散剥离白石墨烯的方法，其特征在于，所述表面活性剂为具长链路易斯酸或长链路易斯碱的表面活性剂中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的高速分散剥离白石墨烯的方法，其特征在于，所述表面活性剂为具长链路易斯酸的高级脂肪酸、酮、醛及其相应衍生物中的至少一种；或具长链路易斯碱的烯烃、芳香化合物、胺、醚中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的高速分散剥离白石墨烯的方法，其特征在于，所述长链路易斯酸的表面活性剂为：棕榈酸、软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、软脂酸、十八酮、3-甲基环十三酮、环十四烷酮，3-十六酮、棕榈醛、椰子醛、二十烷醛中的至少一种；
所述长链路易斯碱的表面活性剂为：十八胺、油胺、端胺基聚乙二醇、聚苯乙炔、聚噻吩、聚苯乙烯磺酸钠、十二烷基苯、4-十二烷基苯胺、聚氧乙烯辛烷基苯酚醚、缩水甘油12-14烷基醚、六聚乙二醇单十六醚、四乙烯甘醇单十四醚、六聚乙二醇单十四醚中的至少一种。
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