CN109534330A - 一种大面积少层石墨烯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积少层石墨烯及其制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，将鳞片石墨浸没在硝酸硫酸的混酸中进行插层处理，步骤2，将步骤1制备得到的可膨胀石墨放置在1000～1050℃高温环境中5‑15秒，制备得到多层石墨片层。步骤3，将步骤2制备得到的多层石墨片层浸没在硝酸硫酸的混酸中，放置到细胞粉碎机进行二次插层处理，步骤4，将步骤3制备得到的二次插层可膨胀石墨放置在1000～1050℃高温环境中5‑15秒，膨胀率为200‑400％，最终得到的少层石墨烯，本发明中少层大片石墨烯的制备可高效完成，可获得具有达300μm面积的少层石墨烯，其安全高效的制备方式远远优于传统的石墨烯制备方式。

Description

一种大面积少层石墨烯及其制备方法
技术领域
本发明涉及少层石墨烯的制备技术领域，特别是涉及一种大面积少层石墨烯及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
中华人民共和国国家知识产权局授权号为CN104528696B、CN106800292A、CN104445177B等发明专利公布了石墨烯的制备方法。
以上所述的发明专利仅仅说明了传统的石墨烯制备方法和工艺，只获得了少量的少层或单层石墨烯。而对于大规模应用石墨烯，快速安全的制备少层大面积的石墨烯是产业发展的基础。另外，石磨烯的面积大小直接影响应用的范围。
中国的专利申请CN104445177B、CN104386680B等公布的石墨烯制备方式，产量低或者运用强氧化剂，所制备石墨烯由于氧化过度和反应剧烈而导致晶格缺陷多、SP2杂化结构破坏严重、本征性能丧失较大。
石墨烯的制备技术有很多，但是产率很低并且有些方式运用强氧化剂等易产生安全事故。而对于后续的应用，如用作导热膜制备，以及电池交换膜的制备，需要大量单层或少层的石墨烯薄膜，所以需要一种可大批量制备少层石墨烯的方法来支撑。
发明内容
本发明针对现有石墨烯制备方式的不足，提供一种大批量安全化制备大面积少层石墨烯的制备方法。石墨烯的制备方式简单易操作，安全无污染，产量高面积大，面积可达300μm。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
本发明的一种大面积少层石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将鳞片石墨浸没在硝酸硫酸的混酸中进行插层处理，以50～100r/min常温搅拌10～30分钟，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以50～70℃干燥3～5小时，制备可膨胀石墨。
步骤2，将步骤1制备得到的可膨胀石墨放置在1000～1050℃高温环境中5-15秒，体积膨胀率为1500-2500％，制备得到多层石墨片层。
步骤3，将步骤2制备得到的多层石墨片层浸没在硝酸硫酸的混酸中，放置到细胞粉碎机进行二次插层处理，所述细胞粉碎机的工作频率为12kHz～15kHz，处理时间为5～10min，二次插层处理后抽滤，将滤饼置入鼓风干燥箱中以50～70℃干燥3～5小时，制备二次插层可膨胀石墨。
步骤4，将步骤3制备得到的二次插层可膨胀石墨放置在1000～1050℃高温环境中5-15秒，膨胀率为200-400％，最终得到的少层石墨烯，所述少层石墨烯的层数为2-10层，片层直径为200μm以上的占60-90％。
优选的，所述步骤4制备得到的所述少层石墨烯的层数为2-4层，片层直径为200μm以上的占80-90％。
优选的，所述步骤1和步骤3中硝酸硫酸的混酸中硝酸硫酸的体积比1：3。
优选的，所述步骤1和步骤3中抽滤时用与混酸同体积的水进行冲洗，因为酸残留太多时不易烘干，且会影响膨胀率。
本发明的另一方面，还包括通过所述方法制备得到的少层石墨烯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基体原料鳞片石墨易得，石墨烯的制备简单可控。本发明中少层大片石墨烯的制备可高效完成，可获得具有达300μm面积的少层石墨烯，其安全高效的制备方式远远优于传统的石墨烯制备方式。
附图说明
图1插层一次的多层石墨烯宏观照
图2插层一次的石墨烯的SEM照片
图3插层一次的石墨烯的TEM照片
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
将市售32目鳞片石墨完全浸没在硝酸硫酸(体积比1：3)混酸中进行插层处理，混酸的制备过程会产生发烟的现象，需在通风处制备，插层过程则覆盖保鲜膜即可。以50r/min常温搅拌10分钟，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以50～70℃干燥3小时，制备可膨胀石墨。插层一次的多层石墨片的宏观图如图1所示，插层一次的多层石墨片的SEM照片和TEM照片如图2-3所示，如图2可看出，片层石墨烯上具有褶皱，如图3可看出，石墨烯中具有明显的片层结构。
将制备得到的可膨胀石墨，放置在1050℃高温处10秒，瞬间受热，层间的酸会瞬间分解为气体，释放出气体而使石墨瞬间剥离，如同蠕虫状生长，体积膨胀率为2000％。制备得到多层石墨片层。
将制备得到的多层面石墨片，再次在第一步所用混酸中二次插层，与之前不同的是，不用搅拌机搅拌，而要用细胞粉碎机，频率12kHz，时间为10min。
抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以60℃干燥3小时，制备二次插层可膨胀石墨。将制备得到的二次插层可膨胀石墨，放置在1050℃高温处10秒，瞬间受热膨胀。膨胀率约为300％。最终制备得到的200μm以上的少层石墨烯占80％。
实施例2
将市售50目鳞片石墨完全浸没在硝酸硫酸(体积比1：3)混酸中进行插层处理，以70r/min常温搅拌8分钟，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以70℃干燥5小时，制备可膨胀石墨。将制备得到的可膨胀石墨，放置在1000℃高温处10秒，瞬间受热，层间的酸会瞬间分解为气体，释放出气体而使石墨瞬间剥离，如同蠕虫状生长，体积膨胀率为2200％。制备得到多层石墨片层。将制备得到的多层面石墨片，再次在第一步所用混酸中二次插层，与之前不同的是，不用搅拌机搅拌，而要用细胞粉碎机，频率15kHz，时间为10min。抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以50℃干燥4小时，制备二次插层可膨胀石墨。将制备得到的二次插层可膨胀石墨，放置在1000℃高温处10秒，瞬间受热膨胀。膨胀率约为300％。最终制备得到的200μm以上的少层石墨烯约占60％。
实施例3
将市售32目鳞片石墨完全浸没在硝酸硫酸(体积比1：3)混酸中进行插层处理，以80r/min常温搅拌10分钟，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以70℃干燥5小时，制备可膨胀石墨。将制备得到的可膨胀石墨，放置在1000℃高温处10秒，瞬间受热，层间的酸会瞬间分解为气体，释放出气体而使石墨瞬间剥离，如同蠕虫状生长，体积膨胀率为2500％。制备得到多层石墨片层。将制备得到的多层面石墨片，再次在第一步所用混酸中二次插层，与之前不同的是，不用搅拌机搅拌，而要用细胞粉碎机，频率15kHz，时间为5min。抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以60℃干燥5小时，制备二次插层可膨胀石墨。将制备得到的二次插层可膨胀石墨，放置在1000℃高温处10秒，瞬间受热膨胀。膨胀率约为300％。最终制备得到的200μm以上的少层石墨烯占90％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大面积少层石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将鳞片石墨浸没在硝酸硫酸的混酸中进行插层处理，以50～100r/min常温搅拌10～30分钟，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以50～70℃干燥3～5小时，制备可膨胀石墨。
步骤2，将步骤1制备得到的可膨胀石墨放置在1000～1050℃高温环境中5-15秒，体积膨胀率为1500-2500％，制备得到多层石墨片层。
步骤3，将步骤2制备得到的多层石墨片层浸没在硝酸硫酸的混酸中，放置到细胞粉碎机进行二次插层处理，所述细胞粉碎机的工作频率为12kHz～15kHz，处理时间为5～10min，二次插层处理后抽滤，将滤饼置入鼓风干燥箱中以50～70℃干燥3～5小时，制备二次插层可膨胀石墨。
步骤4，将步骤3制备得到的二次插层可膨胀石墨放置在1000～1050℃高温环境中5-15秒，膨胀率为200-400％，最终得到的少层石墨烯，所述少层石墨烯的层数为2-10层，片层直径为200μm以上的占60-90％。
2.如权利要求1所述的大面积少层石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤4制备得到的所述少层石墨烯的层数为2-4层，片层直径为200μm以上的占80-90％。
3.如权利要求1所述的大面积少层石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤3中硝酸硫酸的混酸中硝酸硫酸的体积比1：3。
4.如权利要求1所述的大面积少层石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤3中抽滤时用与混酸同体积的水进行冲洗。
5.如权利要求1-4中任一项所述方法制备得到的少层石墨烯。
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