CN109179390A - 一种高品质石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高品质石墨烯的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：（1）石墨的微波膨胀化处理：将石墨放置于坩埚中，将坩埚放入微波炉中进行处理；（2）超声剥离处理：向微波膨胀化处理的石墨中加入甲基吡咯烷酮，然后放入超声仪中，进行超声剥离，最后离心分离得到上清液，利用玻璃抽滤器进行固液分离，洗涤、干燥；（3）超临界剥离处理。本发明高品质石墨烯由可膨胀石墨，采用微波膨胀化处理、超声剥离处理与超临界剥离处理的高端剥离的方式相结合，摒弃了传统的强氧化剂，制备方法简单、成本低廉，制备的石墨烯品质优异，且整个系统无废液产生，绿色无污染；制备的石墨烯，不仅大大降低了能耗，且提高了生产效率。

Description

一种高品质石墨烯的制备方法

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备方法，尤其是一种高品质石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯，是一种由sp²杂化的碳原子以六边形周期排列形成的二维蜂窝状晶格结构的无机纳米片层材料，其厚度只有0.335nm，可作为其它维数碳材料的基本结构单元。在其之前被发现的碳的其他维度的同素异形体都可看作是由石墨烯为基元经过卷曲抑或堆叠形成。石墨烯独特的二维单原子层共轭结构和各种优异的性能，引发了全世界范围内对其展开的基础理论、实验和应用的研究。

石墨烯具有以下优异的性质：（1）电学性质，石墨烯超大的离域π键中的电子可不受限地自由移动，这赋予了其特殊的电学性质，石墨烯具有非常高的载流子迁移率，并且此迁移率的限制因素仅为石墨烯内部的结构缺陷和其晶格振动导致的散射，几乎不随温度变化。（2）热学性质，石墨烯中的碳原子之间以强共价键相连，在其热传导中起主要和决定性作用的是声子的导热，通过显微共聚焦拉曼光谱仪测得悬浮石墨烯的热导率在5300Wm^-1K^-1左右。（3）光学性质，石墨烯具有异常低能量的电子结构，空穴和电子的正反向圆锥形能带会在狄拉克点相遇，因而单层的石墨烯片层的吸光度仅有2.3%。（4）力学性质，石墨烯中碳原子之间以较强的σ和π共价键相连，据报道，石墨烯的断裂强度在130GPa左右，杨氏模量在1TPa左右。石墨烯因其具有极高的本征机械强度、优异的导电和导热性能，被认为是一种理想的提高复合材料性能的材料。

目前，其相关研究主要集中在石墨烯/聚合物的复合材料和低维的石墨烯纳米复合材料。在陶瓷复合材料领域，通常使用一维碳纤维、碳纳米管以及陶瓷晶须作为增强相来提高材料的性能，石墨烯能否在未来获得广泛应用，制备方法是一个重要的突破点。目前现有的石墨烯制备方法主要为传统的氧化还原法和物理法，其中传统的氧化还原法制备工艺需要用硫酸、硝酸等强氧化剂。不仅在制备过程中产生废酸严重污染环境，而且制备出的石墨烯材料缺陷大，性能表现不够优异，应用范围大大减小；传统的物理法制备工艺，因大都采用球磨等高耗能、高耗时的方式，制造成本高昂。因此急需一种高品质石墨烯的制备方法。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的缺陷，本发明提供一种高品质石墨烯的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高品质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

1）原材料的准备：

①原材料的准备：石墨、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺；

②设备及工装准备：坩埚、微波炉（功率为800W）、超声仪（功率为800W）、低能超声波清洗器（功率为180W）、离心机、玻璃抽滤器、石英管式炉；

2）制备方法如下：

①石墨的微波膨胀化处理：取1g石墨放置于坩埚中，将坩埚放入微波炉中进行处理，处理时间为30~40s，从而得到膨胀剥离开的石墨；

②超声剥离处理：首先，取阶段2）步骤①制备的膨胀剥离开的石墨0.3~0.5g，放入800mL的烧杯中，然后向烧杯中加入300~400mL甲基吡咯烷酮，然后将烧杯放入超声仪中，进行超声剥离，超声剥离时间为36~48h，然后将烧杯取出，并放到室温下静置24~36h，使超声不充分且较厚的石墨片层沉降至烧杯底部，取烧杯上部的悬浮液进行离心处理，离心处理的速度为6000~10000r/min，离心处理的时间为30~50min，最后得到离心后的上清液，利用玻璃抽滤器对离心后的上清液进行固液分离，玻璃抽滤器所用的滤膜为聚四氟乙烯膜，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的甲基吡咯烷酮完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；

③超临界剥离处理：取10~20mg阶段2）步骤②制备的经过超声剥离处理的石墨放入到试管中，向试管中加入10mL二甲基甲酰胺溶液，然后将试管放入低能超声波清洗器中，超声15~20min，然后用滴管将混合物转移到不锈钢反应器中，将不锈钢反应器保持密闭状态并放入石英管式炉中加热，控制升温速率为10℃/min，直到石英管式炉内的温度达到400~500℃，保温15~20min，然后将不锈钢反应器取出并迅速放入冰水混合物中冷却，待不锈钢反应器完全冷却后，缓慢打开不锈钢反应器，并将产物倒入试管中，沉淀5~10min，利用玻璃抽滤器对试管内的产物进行固液分离，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的二甲基甲酰胺完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；得到石墨烯粉体。

上述的一种高品质石墨烯的制备方法，所述石墨为可膨胀石墨。

与现有技术相比本发明具有以下优点和突出性效果：

本发明的有益效果是，本发明高品质石墨烯由可膨胀石墨，采用微波膨胀化处理、超声剥离处理与超临界剥离处理的高端剥离的方式相结合，摒弃了传统的强氧化剂，制备方法简单、成本低廉，制备的石墨烯品质优异，且整个系统无废液产生，绿色无污染；制备的石墨烯，不仅大大降低了能耗，且提高了生产效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例一所制得石墨烯透射电子显微镜图片。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

【实施例1】

一种高品质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

1）原材料的准备：

①原材料的准备：石墨、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺；

②设备及工装准备：坩埚、微波炉（功率为800W）、超声仪（功率为800W）、低能超声波清洗器（功率为180W）、离心机、玻璃抽滤器、石英管式炉；

2）制备方法如下：

①石墨的微波膨胀化处理：取1g石墨放置于坩埚中，将坩埚放入微波炉中进行处理，处理时间为30s，从而得到膨胀剥离开的石墨；

②超声剥离处理：首先，取阶段2）步骤①制备的膨胀剥离开的石墨0.3g，放入800mL的烧杯中，然后向烧杯中加入300mL甲基吡咯烷酮，然后将烧杯放入超声仪中，进行超声剥离，超声剥离时间为36h，然后将烧杯取出，并放到室温下静置24h，使超声不充分且较厚的石墨片层沉降至烧杯底部，取烧杯上部的悬浮液进行离心处理，离心处理的速度为8000r/min，离心处理的时间为30min，最后得到离心后的上清液，利用玻璃抽滤器对离心后的上清液进行固液分离，玻璃抽滤器所用的滤膜为聚四氟乙烯膜，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的甲基吡咯烷酮完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；

③超临界剥离处理：取10mg阶段2）步骤②制备的经过超声剥离处理的石墨放入到试管中，向试管中加入10mL二甲基甲酰胺溶液，然后将试管放入低能超声波清洗器中，超声15min，然后用滴管将混合物转移到不锈钢反应器中，将不锈钢反应器保持密闭状态并放入石英管式炉中加热，控制升温速率为10℃/min，直到石英管式炉内的温度达到500℃，保温15min，然后将不锈钢反应器取出并迅速放入冰水混合物中冷却，待不锈钢反应器完全冷却后，缓慢打开不锈钢反应器，并将产物倒入试管中，沉淀5min，利用玻璃抽滤器对试管内的产物进行固液分离，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的二甲基甲酰胺完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；得到石墨烯粉体。

进一步的，所述石墨为可膨胀石墨。

【实施例2】

一种高品质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

1）原材料的准备：

①原材料的准备：石墨、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺；

②设备及工装准备：坩埚、微波炉（功率为800W）、超声仪（功率为800W）、低能超声波清洗器（功率为180W）、离心机、玻璃抽滤器、石英管式炉；

2）制备方法如下：

①石墨的微波膨胀化处理：取1g石墨放置于坩埚中，将坩埚放入微波炉中进行处理，处理时间为40s，从而得到膨胀剥离开的石墨；

②超声剥离处理：首先，取阶段2）步骤①制备的膨胀剥离开的石墨0.5g，放入800mL的烧杯中，然后向烧杯中加入400mL甲基吡咯烷酮，然后将烧杯放入超声仪中，进行超声剥离，超声剥离时间为48h，然后将烧杯取出，并放到室温下静置36h，使超声不充分且较厚的石墨片层沉降至烧杯底部，取烧杯上部的悬浮液进行离心处理，离心处理的速度为10000r/min，离心处理的时间为50min，最后得到离心后的上清液，利用玻璃抽滤器对离心后的上清液进行固液分离，玻璃抽滤器所用的滤膜为聚四氟乙烯膜，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的甲基吡咯烷酮完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；

③超临界剥离处理：取20mg阶段2）步骤②制备的经过超声剥离处理的石墨放入到试管中，向试管中加入10mL二甲基甲酰胺溶液，然后将试管放入低能超声波清洗器中，超声20min，然后用滴管将混合物转移到不锈钢反应器中，将不锈钢反应器保持密闭状态并放入石英管式炉中加热，控制升温速率为10℃/min，直到石英管式炉内的温度达到500℃，保温20min，然后将不锈钢反应器取出并迅速放入冰水混合物中冷却，待不锈钢反应器完全冷却后，缓慢打开不锈钢反应器，并将产物倒入试管中，沉淀10min，利用玻璃抽滤器对试管内的产物进行固液分离，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的二甲基甲酰胺完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；得到石墨烯粉体。

进一步的，所述石墨为可膨胀石墨。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高品质石墨烯的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）原材料的准备：

①原材料的准备：石墨、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺；

②设备及工装准备：坩埚、微波炉（功率为800W）、超声仪（功率为800W）、低能超声波清洗器（功率为180W）、离心机、玻璃抽滤器、石英管式炉；

2）制备方法如下：

①石墨的微波膨胀化处理：取1g石墨放置于坩埚中，将坩埚放入微波炉中进行处理，处理时间为30~40s，从而得到膨胀剥离开的石墨；

②超声剥离处理：首先，取阶段2）步骤①制备的膨胀剥离开的石墨0.3~0.5g，放入800mL的烧杯中，然后向烧杯中加入300~400mL甲基吡咯烷酮，然后将烧杯放入超声仪中，进行超声剥离，超声剥离时间为36~48h，然后将烧杯取出，并放到室温下静置24~36h，使超声不充分且较厚的石墨片层沉降至烧杯底部，取烧杯上部的悬浮液进行离心处理，离心处理的速度为6000~10000r/min，离心处理的时间为30~50min，最后得到离心后的上清液，利用玻璃抽滤器对离心后的上清液进行固液分离，玻璃抽滤器所用的滤膜为聚四氟乙烯膜，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的甲基吡咯烷酮完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；

③超临界剥离处理：取10~20mg阶段2）步骤②制备的经过超声剥离处理的石墨放入到试管中，向试管中加入10mL二甲基甲酰胺溶液，然后将试管放入低能超声波清洗器中，超声15~20min，然后用滴管将混合物转移到不锈钢反应器中，将不锈钢反应器保持密闭状态并放入石英管式炉中加热，控制升温速率为10℃/min，直到石英管式炉内的温度达到400~500℃，保温15~20min，然后将不锈钢反应器取出并迅速放入冰水混合物中冷却，待不锈钢反应器完全冷却后，缓慢打开不锈钢反应器，并将产物倒入试管中，沉淀5~10min，利用玻璃抽滤器对试管内的产物进行固液分离，在抽滤过程中，用去离子水洗涤，使残留的二甲基甲酰胺完全被清洗干净；最后，把产物放入真空干燥箱中进行干燥处理，控制干燥温度为80℃，干燥时间为12h；得到石墨烯粉体。

2.根据权利要求1所述的一种高品质石墨烯的制备方法，其特征在于，所述石墨为可膨胀石墨。