CN108298529A - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：S1、首先，在惰性气体保护的情况下，将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，配制得到质量浓度为0.1mg/mL～10mg/mL的悬浊液；S2、将S1中得到的悬浊液进行超声和热搅拌处理，得到氧化石墨烯分散液；S3、将碱金属浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.05～1.10:1，浸渍6h～10h后，过滤并干燥，得到石墨烯。与现有技术相比，本申请的有益效果是操作简单，反应条件温和可控，能够得到完整性良好的石墨烯。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯制备技术领域，特别涉及一种石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是SP2杂化碳原子排列成蜂窝状六角平面晶体，厚度仅为单层原子，是一种新型碳纳米材料，是构成石墨、碳纳米管和富勒烯等的基本单元，具有特殊的物理化学特性。石墨烯是是英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授率先于2004年通过一种简单的方法从石墨中剥离得到了单层石墨烯。在目前得到的二维材料里，石墨烯厚度最薄、比表面积较大，是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。正是由于这些优异的物理性能及巨大的应用前景，石墨烯的发现者于2010年获得了诺贝尔物理学奖。
目前制备石墨烯的方法主要包括机械剥离、高温CVD生长、外延生长、化学超声分散剥离、氧化石墨烯还原等。虽然经过十余年的高速发展，关于石墨烯的研究已经取得了巨大的成就，但到目前制备石墨烯的技术工艺还不成熟，即便是最接近实用的CVD法制备的石墨烯膜面积依然不够大。而且现在除去机械剥离法以外，其他工艺制备得到的石墨烯均达不到一致性的品质，而机械剥离法效率极低，因此现有的合成技术都不能适应工业化应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有石墨烯制备方面存在的上述问题，提供一种石墨烯的制备方法。
为了实现上述目的，本申请采用的技术方案为：一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
S1、首先，在惰性气体保护的情况下，将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，配制得到质量浓度为0.1mg/mL～10mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液进行超声和热搅拌处理，得到氧化石墨烯分散液；其中超声功率100w～500w，超声时间5h～24h，加热温度为20℃～80℃，热搅拌时间为8h～24h，搅拌速度为100r/min～350r/min；
S3、将碱金属浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.05～1.10:1，浸渍6h～10h后，过滤并干燥得到石墨烯。
进一步的，所述有机溶剂为四氢呋喃、二甲基碳酸酯或碳酸甲乙酯中的一种或几种的混合溶液。
进一步的，所述碱金属为元素周期表中第一主族的金属元素。
进一步的，所述S1中悬浊液的质量浓度为1mg/mL～2mg/mL。
进一步的，所述S2中的超声时间为10h，超声功率为300w，加热温度为50℃，搅拌速度为220r/min，热搅拌时间均为13h。
进一步的，所述S3中的浸渍时间为8h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：操作简单，反应条件温和可控，且得到的石墨烯是氧化石墨烯与碱金属自还原所得，完整性好，且能够规模化生产，有望实现石墨烯的工业化生产。
附图说明
图1是本发明采用的氧化石墨烯的拉曼图谱；
图2为本发明实施例1中锂金属还原氧化石墨烯得到的石墨烯的拉曼图谱；
图3为本发明实施例2中钠金属还原氧化石墨烯得到的石墨烯的拉曼图谱；
图4为本发明实施例3中钾金属还原氧化石墨烯得到的石墨烯的拉曼图谱。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、达到目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均能够通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。另外本申请中的有机溶剂是二次电池电解液的常用溶剂。
实施例1
一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
S1、首先，在氦气保护的情况下，称取4mg的氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯分散于2mL四氢呋喃中，配制得到质量浓度为2mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液封装入试剂瓶中，将试剂瓶放入超声波清洗机中超声10h，超声功率为200w；然后将超声后的试剂瓶再水浴中加热并搅拌，其中加热温度为50℃，热搅拌时间为12h，搅拌速度为220r/min，得到氧化石墨烯分散液；
S3、将4.2mg的块状金属锂浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.05:1，浸渍8h，在这期间利用金属锂在氧化石墨烯分散液中的将氧化石墨烯自还原为石墨烯，然后过滤得到石墨烯悬浊液，最后将石墨烯悬浊液在自然条件下干燥，得到石墨烯。
实施例2
一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
S1、首先，在氖气保护的情况下，称取4mg的氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯分散于4mL二甲基碳酸酯中，配制得到质量浓度为1mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液封装入试剂瓶中，将试剂瓶放入超声波清洗机中超声5h，超声功率为300w；然后将超声后的试剂瓶再水浴中加热并搅拌，其中加热温度为40℃，热搅拌时间为8h，搅拌速度为200r/min，得到氧化石墨烯分散液；
S3、将4.2mg块状金属钠浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.05:1，浸渍6h，在这期间利用金属钠在氧化石墨烯分散液中的将氧化石墨烯自还原为石墨烯，然后过滤得到石墨烯悬浊液，最后将石墨烯悬浊液在自然条件下干燥，得到石墨烯。
实施例3
S1、首先，在氩气保护的情况下，称取10mg的氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯分散于2mL碳酸甲乙酯中，配制得到质量浓度为5mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液封装入试剂瓶中，将试剂瓶放入超声波清洗机中超声16h，超声功率为150w；然后将超声后的试剂瓶再水浴中加热并搅拌，其中加热温度为70℃，热搅拌时间为8h，搅拌速度为300r/min，得到氧化石墨烯分散液；
S3、将11mg块状金属钾浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.10：1，浸渍10h，在这期间利用金属钾在氧化石墨烯分散液中的将氧化石墨烯自还原为石墨烯，然后过滤得到石墨烯悬浊液，最后将石墨烯悬浊液在自然条件下干燥，得到石墨烯。
实施例4
S1、首先，在氦气保护的情况下，称取1mg的氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯分散于10mL碳酸甲乙酯中，配制得到质量浓度为0.1mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液封装入试剂瓶中，将试剂瓶放入超声波清洗机中超声5h，超声功率为100w；然后将超声后的试剂瓶再水浴中加热并搅拌，其中加热温度为20℃，热搅拌时间为8h，搅拌速度为100r/min，得到氧化石墨烯分散液；
S3、将1.1mg块状金属钾浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.10:1，浸渍6h，在这期间利用金属钾在氧化石墨烯分散液中的将氧化石墨烯自还原为石墨烯，从而得到石墨烯。
实施例5
S1、首先，在氦气保护的情况下，称取5mg的氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯分散于0.5mL二甲基碳酸酯中，配制得到质量浓度为10mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液封装入试剂瓶中，将试剂瓶放入超声波清洗机中超声24h，超声功率为500w；然后将超声后的试剂瓶再水浴中加热并搅拌，其中加热温度为80℃，热搅拌时间为24h，搅拌速度为350r/min，得到氧化石墨烯分散液；
S3、将5.35mg块状金属铷浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.07:1，浸渍10h，在这期间利用金属铷在氧化石墨烯分散液中的将氧化石墨烯自还原为石墨烯，然后过滤得到石墨烯悬浊液，最后将石墨烯悬浊液在自然条件下干燥，得到石墨烯。
实施例6
S1、首先，在氦气保护的情况下，称取5mg的氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯分散于1mL二甲基碳酸酯中，配制得到质量浓度为5mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液封装入试剂瓶中，将试剂瓶放入超声波清洗机中超声18h，超声功率为400w；然后将超声后的试剂瓶再水浴中加热并搅拌，其中加热温度为60℃，热搅拌时间为18h，搅拌速度为220r/min，得到氧化石墨烯分散液；
S3、将5.35mg块状金属铯浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.07:1，浸渍8h，在这期间利用金属铯在氧化石墨烯分散液中的将氧化石墨烯自还原为石墨烯，然后过滤得到石墨烯悬浊液，最后将石墨烯悬浊液在自然条件下干燥，得到石墨烯。
实施例7
S1、首先，在氦气保护的情况下，称取8mg的氧化石墨烯粉末，将氧化石墨烯分散于1mL四氢呋喃中，配制得到质量浓度为8mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液封装入试剂瓶中，将试剂瓶放入超声波清洗机中超声10h，超声功率为300w；然后将超声后的试剂瓶再水浴中加热并搅拌，其中加热温度为50℃，热搅拌时间为13h，搅拌速度为220r/min，得到氧化石墨烯分散液；
S3、将8.56mg块状金属钫浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.07:1，浸渍8h，在这期间利用金属钫在氧化石墨烯分散液中的将氧化石墨烯自还原为石墨烯，然后过滤得到石墨烯悬浊液，最后将石墨烯悬浊液在自然条件下干燥，得到石墨烯。
实施例1～7的投料情况以及实验条件汇总见表1：
表1实施例1～7的投料情况以及实验条件汇总
注释：其中GO为氧化石墨烯。
为了进一步的确定通过本申请的制备方法制备得到的石墨烯的结构特点，本申请对氧化石墨烯以及实施例1～3制备得到的石墨烯采用拉曼光谱进行了分析，结果如下：
其中，图1是本发明采用的氧化石墨烯的拉曼图谱；图2为本发明实施例1中锂金属还原氧化石墨烯得到的石墨烯的拉曼图谱；图3为本发明实施例2中钠金属还原氧化石墨烯得到的石墨烯的拉曼图谱；图4为本发明实施例3中钾金属还原氧化石墨烯得到的石墨烯的拉曼图谱。通过图2～图4中拉曼图谱所示，D峰和G峰的比(ID/IG)分别是1.52、1.43和1.44，而图1氧化石墨烯的ID/IG为0.90，通过对比发现图2～图4中的ID/IG明显比图1的ID/IG大得多，这就能够说明实施例1～3均制备得到了完整性较好的石墨烯。
综上所述，本申请的制备方法操作简单，反应条件温和可控，所以能够有望实现产业化生产；另外本申请得到的石墨烯的完整性好。
以上公开的仅为本发明的较佳实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、首先，在惰性气体保护的情况下，将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，配制得到质量浓度为0.1mg/mL～10mg/mL的悬浊液；
S2、将S1中得到的悬浊液进行超声和热搅拌处理，得到氧化石墨烯分散液；其中超声功率100w～500w，超声时间5h～24h，加热温度为20℃～80℃，热搅拌时间为8h～24h，搅拌速度为100r/min～350r/min；
S3、将碱金属浸渍入S2中得到的氧化石墨烯分散液中，其中碱金属与氧化石墨烯的质量比为1.05～1.10:1，浸渍6h～10h后，过滤并干燥得到石墨烯。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为四氢呋喃、二甲基碳酸酯或碳酸甲乙酯中的一种或几种的混合溶液。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述碱金属为元素周期表中第一主族的金属元素。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述S1中悬浊液的质量浓度为1mg/mL～2mg/mL。
5.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述S2中的超声时间为10h，超声功率为300w，加热温度为50℃，搅拌速度为220r/min，热搅拌时间均为13h。
6.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述S3中的浸渍时间为8h。
7.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氖气和氩气中的一种。
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