CN108609613B - 一种无缺陷石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石墨烯的制备领域，公开一种无缺陷石墨烯的制备方法。S1、将石墨粉末分散于乙醇和30wt%双氧水按体积比（1‑9）∶（1‑9）组成的混合溶剂中，然后再加入聚乙烯吡咯烷酮，超声2‑3 h；S2、将S1超声处理后所得溶液放置于超临界反应釜中，在40‑80℃、12‑20 MPa下反应1‑3 h，反应结束后，取出反应溶液并对其进行超声处理2‑3 h；S3、将S2超声处理后所得溶液先在6000‑8000 rpm下进行第一次离心分离，取上层溶液后再于15000‑20000 rpm下进行第二次离心分离，乙醇离心洗涤产物；S4、将S3所得产物烘干，即得到无缺陷石墨烯。本发明制备的石墨烯相比与其他制备法得到的石墨烯，不仅尺寸小、少层，而且最重要的是，晶格结构更完整，缺陷程度几乎为零。

Description

一种无缺陷石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯的制备领域，具体涉及一种无缺陷石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯作为最早发现的2D纳米材料，具有优异的导电性、机械特性和导热性，被广泛地应用在电子领域、复合材料、能量储存和传感等方面。然而，结构缺陷的存在极大地降低了石墨烯的理论性能，影响了石墨烯的机械特性、导电特性和热特性。现阶段剥离石墨烯的方法主要有液相剥离法、机械剥离法、气相沉积法和电化学剥离法，这些方法在制备石墨烯的过程中会不可避免地引入缺陷，从而降低样品的性能。因此寻求一种绿色无污染、操作简单、能够降低石墨烯结构缺陷程度、提高石墨烯晶格完整性的制备技术仍是一种极大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无缺陷石墨烯的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种无缺陷石墨烯的制备方法，步骤如下：
S1、将石墨粉末分散于乙醇和30wt%双氧水按体积比（1-9）∶（1-9）组成的混合溶剂中，然后再加入聚乙烯吡咯烷酮，超声2-3 h；其中，所述石墨粉末∶混合溶剂=（10-50） mg∶（10-20）mL，聚乙烯吡咯烷酮的用量为石墨粉末质量的3-5倍；
S2、将S1超声处理后所得溶液放置于超临界反应釜中，在40-80 ℃、12-20 MPa下反应1-3 h，反应结束后，取出反应溶液并对其进行超声处理2-3 h；
S3、将S2超声处理后所得溶液先在6000-8000 rpm下进行第一次离心分离，取上层溶液后再于15000-20000 rpm下进行第二次离心分离，乙醇离心洗涤产物；
S4、将S3所得产物烘干，即得到无缺陷石墨烯。
本发明中，所述石墨粉末为原始的、没有进行过任何预处理和/或改性的石墨粉末。
较好地， S1和S3中涉及的乙醇优选为分析纯或化学纯级别。
较好地，第一次离心分离的时间为20-40 min、第二次离心分离的时间为10-20min。
较好地，乙醇离心洗涤产物，该过程重复2-4次。
较好地，乙醇离心洗涤产物时的离心速率为15000-20000 rpm、离心时间为10-30min。
较好地，烘干的温度为40-60 ℃。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
本发明制备成本低廉，简单易行，原料易得，安全系数高，有很好的应用前景；本发明制备的石墨烯相比与其他制备法得到的石墨烯，不仅尺寸小、少层，而且最重要的是，晶格结构更完整，缺陷程度几乎为零。
附图说明
图1：实施例1制备的石墨烯的原子力显微镜照片。
图2：实施例1制备的石墨烯的TEM图。
图3：实施例1制备的石墨烯的拉曼图谱。
图4：实施例1制备的石墨烯的XRD图。
图5：对照例1-3制备的石墨烯的拉曼图谱。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
S1、将50 mg石墨粉末（为原始的、没有进行过任何预处理和/或改性的石墨粉末）分散于10 mL由乙醇（分析纯级别）和30wt%双氧水按体积比2∶8组成的混合溶剂中，然后再将200 mg表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮溶解于上述混合溶液中，超声处理3 h；
S2、将S1超声处理后所得溶液放置于超临界反应釜中，反应的温度和压强分别设定为40 ℃和20 MPa，反应3 h后，取出反应溶液并对其进行超声处理3 h；
S3、将S2超声处理后所得溶液先在6000 rpm下进行第一离心分离40min，取上层溶液后再于20000 rpm下进行第二次离心分离20min，乙醇（分析纯级别）洗涤产物并20000rpm下离心分离30min，乙醇洗涤离心分离过程重复3次；
S4、将S4所得产物在60 ℃温度下烘干，即得石墨烯样品。
所得石墨烯样品的原子力显微镜照片见图1。由图1可知：制备的石墨烯为单层或少层纳米片。
所得石墨烯样品的TEM照片见图2。由图2可知：制备的石墨烯为单层或少层结构，并且横向尺寸从几十纳米到几百纳米。
原料石墨粉末和所得石墨烯样品的拉曼图谱见图3。由图3可知：相比于原料石墨粉末来说，本发明制备的石墨烯样品在D区并没有出现密度峰，而由文献可知，D区峰代表的是石墨烯的晶格缺陷程度，现阶段D区峰强度几乎为0，说明该方法制备的石墨烯晶格结构完整且无缺陷。
原料石墨粉末和所制备石墨烯的XRD图谱见图4。由图4可知：本发明制备的石墨烯样品的XRD衍射峰良好对应于原料石墨粉末的衍射峰，说明了制备出来的石墨烯晶格结构完整。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：S2中，反应压强改为12、14、16和18 MPa；其它均同实施例1。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：S2中，反应温度改为60 和80 ℃；其它均同实施例1。
对照例1
与实施例1的不同之处在于：不添加表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮进行石墨剥离，即S1中，聚乙烯吡咯烷酮的添加量为0 mg；其它均同实施例1。
对照例2
与实施例1的不同之处在于：不进行超临界处理，即S1超声处理后所得溶液，省略步骤S2，直接按照S3的方法操作；其它均同实施例1。
对照例3
与实施例1的不同之处在于：S1中，混合溶剂改为乙醇（分析纯级别）和水按体积比2∶8组成；其它均同实施例1。
对照例1-3所得样品的拉曼图谱见图5。由图5可知：石墨烯样品在D区均出现了强度不同的密度峰，说明不添加聚乙烯吡咯烷酮、不进行超临界处理、改变混合溶剂的组成，所获得的石墨烯都存在较高程度的晶格缺陷。

Claims (7)

1.一种无缺陷石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤如下：
S1、将石墨粉末分散于乙醇和30wt%双氧水按体积比（1-9）∶（1-9）组成的混合溶剂中，然后再加入聚乙烯吡咯烷酮，超声2-3 h；其中，所述石墨粉末∶混合溶剂=（10-50） mg∶（10-20）mL，聚乙烯吡咯烷酮的用量为石墨粉末质量的3-5倍；
S2、将S1超声处理后所得溶液放置于超临界反应釜中，在40-80 ℃、12-20 MPa下反应1-3 h，反应结束后，取出反应溶液并对其进行超声处理2-3 h；
S3、将S2超声处理后所得溶液先在6000-8000 rpm下进行第一次离心分离，取上层溶液后再于15000-20000 rpm下进行第二次离心分离，乙醇离心洗涤产物；
S4、将S3所得产物烘干，即得到无缺陷石墨烯。
2.如权利要求1所述的无缺陷石墨烯的制备方法，其特征在于：所述石墨粉末为原始的、没有进行过任何预处理和/或改性的石墨粉末。
3.如权利要求1所述的无缺陷石墨烯的制备方法，其特征在于：S1和S3中涉及的乙醇为分析纯或化学纯级别。
4.如权利要求1所述的无缺陷石墨烯的制备方法，其特征在于：第一次离心分离的时间为20-40 min、第二次离心分离的时间为10-20 min。
5.如权利要求1所述的无缺陷石墨烯的制备方法，其特征在于：乙醇离心洗涤产物，该过程重复2-4次。
6.如权利要求5所述的无缺陷石墨烯的制备方法，其特征在于：乙醇离心洗涤产物时的离心速率为15000-20000 rpm、离心时间为10-30 min。
7.如权利要求1所述的无缺陷石墨烯的制备方法，其特征在于：烘干的温度为40-60℃。
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