CN108545734A - 一种制备超薄二维石墨片的方法 - Google Patents

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朱全红
施立毛
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Abstract

本发明属于石墨材料技术领域，尤其涉及一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：1）将石墨加于溶剂中，同时加入稳定剂，借助超声波、加热或气流的作用制备含有稳定剂的石墨水溶液；2）对含有稳定剂的石墨水溶液进行高速剪切，得到高浓度的悬浮液；3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；4）对含有二维石墨片的清液进行干燥和煅烧，得到纯化的超薄二维石墨片。相比于现有技术，本发明能够快速实现超薄二维石墨片的规模化制备。

Description

一种制备超薄二维石墨片的方法
技术领域
本发明属于石墨材料技术领域，尤其涉及一种制备超薄二维石墨片的方法。
背景技术
厚度小于10个原子层的石墨片中的电子结构与体材料石墨有显著的不同，所以一般认为厚度小于10个原子层（共约4nm）的石墨片属于二维材料。近年来，二维石墨片因其具有卓越的电子、热、光学和力学性能受到人们的广泛关注和研究。
目前，二维石墨片的制备方法主要包括化学气相沉积法、机械剥离法、（电）化学剥离法和超声液相剥离法等。虽然这些方法能够制备出二维石墨片，但是对于大规模的生产二维石墨片仍存在不可避免的不足之处，比如化学气相沉积法和机械剥离法制备的二维石墨片产量低，成本高而不适用于大规模生产；(电)化学剥离法虽然能够大规模制备二维石墨片，但由于引入化学试剂导致自身含有较多缺陷，质量差而降低二维石墨片的性能。相比其他方法，超声液相剥离法只需将原始粉末溶于有机溶剂或水溶液中进行超声处理，被证明是一种制备高质量二维石墨片的有效方法。但是这种方法制备的二维石墨片产率较低且在溶液中容易发生团聚，很难得到高浓度的悬浮液，并且得到的二维石墨片很少一部分是大尺寸的单层或少层结构，严重制约了它的实际应用。
因此，急需开发新的、高效的二维石墨片的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种制备超薄二维石墨片的方法，能够快速实现超薄二维石墨片的规模化制备。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：
1）将石墨加于溶剂中，同时加入稳定剂，借助超声波、加热或气流的作用制备含有稳定剂的石墨水溶液；
2）对含有稳定剂的石墨水溶液进行高速剪切，得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行干燥和煅烧，得到纯化的超薄二维石墨片。
作为本发明所述的制备超薄二维石墨片的方法的一种改进，在步骤1）中，所述溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、NMP、DMF和DMSO中的任意一种与水的混合溶剂。
作为本发明所述的制备超薄二维石墨片的方法的一种改进，在步骤1）中，所述稳定剂为十二烷基磺酸钠、柠檬酸纳、1-芘甲胺盐酸盐和胆酸钠中的任意一种。
作为本发明所述的制备超薄二维石墨片的方法的一种改进，在步骤2）中，高速剪切的时间为3~8h。
作为本发明所述的制备超薄二维石墨片的方法的一种改进，在步骤2）中，高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L。
作为本发明所述的制备超薄二维石墨片的方法的一种改进，在步骤2）中，高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm。
作为本发明所述的制备超薄二维石墨片的方法的一种改进，在步骤4）中，所述干燥方式为冷冻干燥或喷雾干燥。
作为本发明所述的制备超薄二维石墨片的方法的一种改进，在步骤4）中，所述煅烧方式为真空煅烧或在惰性气体气氛、还原气体气氛下煅烧。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
1）本发明先通过超声波、加热或气流的作用使得石墨在溶剂中产生部分剥离，而且溶剂中加入了稳定剂，降低了剥离得到的石墨片在溶剂中发生团聚的几率，提高二维石墨片的产率。
2）本发明部分剥离后的石墨片在经过高速剪切后，得到高浓度的悬浮液，而且悬浮液中二维石墨片的厚度小于4nm，产率高，产品质量高。
3）本发明还将悬浮液进行离心分离，得到高质量的超薄二维石墨片，操作简单，成本低，可实现规模化制备。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
本实施例提供一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：
1）将石墨加于乙醇与水的混合溶剂中，同时加入十二烷基磺酸钠，借助超声波的作用制备含有十二烷基磺酸钠的石墨水溶液；
2）对含有十二烷基磺酸钠的石墨水溶液进行高速剪切3~8h，具体地，当高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L，当高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm，最终得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行依次冷冻干燥和真空煅烧，得到层数为3~7层、厚度平均小于3nm的超薄二维石墨片。
实施例2
本实施例提供一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：
1）将石墨加于NMP与水的混合溶剂中，同时加入柠檬酸钠，借助加热的作用制备含有柠檬酸钠的石墨水溶液；
2）对含有柠檬酸钠的石墨水溶液进行高速剪切3~8h，具体地，当高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L，当高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm，最终得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行喷雾干燥，并在惰性气体气氛、还原气体气氛下煅烧，得到层数为5~8层、厚度平均小于3.5nm的超薄二维石墨片。
实施例3
本实施例提供一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：
1）将石墨加于DMF与水的混合溶剂中，同时加入1-芘甲胺盐酸盐，借助气流的作用制备含有1-芘甲胺盐酸盐的石墨水溶液；
2）对含有1-芘甲胺盐酸盐的石墨水溶液进行高速剪切3~8h，具体地，当高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L，当高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm，最终得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行冷冻干燥，并在惰性气体气氛、还原气体气氛下煅烧，得到层数为3~8层、厚度平均小于4nm的超薄二维石墨片。
实施例4
本实施例提供一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：
1）将石墨加于DMSO与水的混合溶剂中，同时加入胆酸钠，借助超声波的作用制备含有胆酸钠的石墨水溶液；
2）对含有胆酸钠的石墨水溶液进行高速剪切3~8h，具体地，当高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L，当高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm，最终得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行喷雾干燥和真空煅烧，得到层数为4~7层、厚度平均小于4nm的超薄二维石墨片。
实施例5
本实施例提供一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：
1）将石墨加于异丙醇与水的混合溶剂中，同时加入十二烷基磺酸钠，借助气流的作用制备含有十二烷基磺酸钠的石墨水溶液；
2）对含有十二烷基磺酸钠的石墨水溶液进行高速剪切3~8h，具体地，当高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L，当高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm，最终得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行依次冷冻干燥和真空煅烧，得到层数为3~7层、厚度平均小于3nm的超薄二维石墨片。
实施例6
本实施例提供一种制备超薄二维石墨片的方法，包括以下步骤：
1）将石墨加于乙二醇与水的混合溶剂中，同时加入柠檬酸钠，借助加热的作用制备含有柠檬酸钠的石墨水溶液；
2）对含有柠檬酸钠的石墨水溶液进行高速剪切3~8h，具体地，当高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L，当高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm，最终得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行依次喷雾干燥和真空煅烧，得到层数为5~8层、厚度平均小于4nm的超薄二维石墨片。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将石墨加于溶剂中，同时加入稳定剂，借助超声波、加热或气流的作用制备含有稳定剂的石墨水溶液；
2）对含有稳定剂的石墨水溶液进行高速剪切，得到高浓度的悬浮液；
3）对高浓度的悬浮液进行离心分离，得到含有二维石墨片的清液和离心沉淀；
4）对含有二维石墨片的清液进行干燥和煅烧，得到纯化的超薄二维石墨片。
2.根据权利要求1所述的制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于：在步骤1）中，所述溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、NMP、DMF和DMSO中的任意一种与水的混合溶剂。
3.根据权利要求1所述的制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于：在步骤1）中，所述稳定剂为十二烷基磺酸钠、柠檬酸纳、1-芘甲胺盐酸盐和胆酸钠中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于：在步骤2）中，高速剪切的时间为3~8h。
5.根据权利要求4所述的制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于：在步骤2）中，高速剪切3h后，悬浮液中石墨片的浓度达到20~30g/L。
6.根据权利要求4所述的制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于：在步骤2）中，高速剪切5h后，悬浮液中有60%以上的石墨片的厚度小于4nm。
7.根据权利要求1所述的制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于：在步骤4）中，所述干燥方式为冷冻干燥或喷雾干燥。
8.根据权利要求1所述的制备超薄二维石墨片的方法，其特征在于：在步骤4）中，所述煅烧方式为真空煅烧或在惰性气体气氛、还原气体气氛下煅烧。
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