一种石墨烯薄片的制备方法与流程

本发明涉及新材料技术领域，特别涉及一种石墨烯薄片的制备方法。

背景技术：

石墨烯是由英国科学家安德烈·k·海姆(andrek.geim)等人在2004年发现的一种二维碳原子纳米晶体。由于其优异的电学性质，独特的结构和光电性质，石墨烯具有诸多应用，包括透明电极，锂电池，效应晶体管等等。随着石墨烯研究的深入，高质量的石墨烯正在从实验室研究阶段进入工业界量产阶段。然而，目前主要的液相剥离方法往往需要超声波来剥离石墨烯，在剥离的过程中，超声波会不可避免地在石墨烯的表面会造成大量缺陷。此外，传统的氧化法在合成的石墨烯具有很多的缺陷，造成导电性的下降。另外，传统制备方法的产量一直较低，难以满足工业化的生产要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种石墨烯薄片的制备方法，解决了目前氧化石墨烯包括氧化法和超声波剥离法的生产过程中的不足导致石墨烯表面有缺陷的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

(1)将分解膨胀性物质与膨胀石墨混合后加入到反应器内密封，其中，所述分解膨胀性反应物与膨胀石墨的质量比为0.5：1-10：1；

(2)将所述反应器加热至400℃-700℃使所述膨胀性物质分解，冷却，收集产物，获得所述石墨烯薄片。

作为一优选的实施方式，对所述产物进行纯化。

作为一优选的实施方式，所述纯化包括将所述产物洗涤，然后分散于溶剂中离心分离，取溶液进行过滤并干燥。

作为一优选的实施方式，所述洗涤为离心沉淀洗涤，过滤洗涤，洗涤液依次为丙酮，乙醇和去离子水。

作为一优选的实施方式，所述分解膨胀性物质为硝酸铵，硝酸钾，硝基甲烷和硝基乙烷中的至少一种。

作为一优选的实施方式，所述分解膨胀物质和膨胀石墨的体积不超过反应器的1/2。

作为一优选的实施方式，所述分解膨胀物质和膨胀石墨采用研磨或机械搅拌的方式进行混合。

作为一优选的实施方式，所述加热时间为3-5min。

采用上述技术方案的有益效果是：本方法采用了膨胀石墨和膨胀性反应物作为原料，该膨胀石墨片具有膨胀开的石墨层，有利于酸溶液的渗入与之后的化学反应，使膨胀石墨完全剥离分散得到高质量的石墨烯薄片。

附图说明

图1为显微镜下膨胀后获得的蠕虫状石墨烯视图；

图2为显微镜下松散堆叠的膨胀后石墨烯薄片视图；

图3为原子力显微镜一片石墨烯薄片视镜图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种石墨烯薄片的制备方法，使用了膨胀石墨材料为原料。该石墨烯氧化反应的方法包括以下步骤：

步骤a:取可膨胀石墨和硝酸铵按1：1的质量比置于机械搅拌器中。之后开动机器进行2h的搅拌混合。

步骤b:选择1l容量的不锈钢反应器，将10g上述硝酸铵与石墨的混合物加入反应器并密封；之后，将反应器放到加热炉里，加热并保持600℃温度至3min。反应完成后，缓慢打开反应器排气孔，将内部气体排出。然后让该反应器自然降温至室温；收集该反应石墨产物。

步骤c:将该反应产物悬浮于丙酮中，并用机械搅拌机在10000r/min的转速下搅拌10min；将反应产物用丙酮，乙醇和去离子水清洗后放到高速离心机中以4000r/min的速度离心沉淀3min。该离心沉淀可以将石墨烯与未剥离的膨胀石墨分离；收集溶液，过滤，并在真空干燥箱保持60℃加热8h，最终获得干燥的石墨烯薄片。

样品提纯步骤：

采用真空抽滤方法过滤，使用过滤膜为孔径为0.1μm的pvdf半透膜。过滤之前，半透膜需要被乙醇小心浸润。在过滤过程中，该膨胀法制得的石墨烯薄片在真空过滤杯中被用纯水小心反复清洗多次。随后石墨滤饼转移到锥形漏斗瓶中，用乙醇清洗多次。洗液在1l冷水中超声4min。

清洗充分后的石墨烯薄片被重新分散在水溶液中,溶液的ph被检测并确认为呈于超纯水相同的中性。

最终产物有以下特征：

如图1所示，扫描电子显微镜观察结果显示:经过膨胀得到的蠕虫状石墨烯具有大量石墨烯薄片。

如图2所示，扫描电子显微镜观察结果显示:大量的石墨烯薄片具有5-20μm的尺寸。

如图3所示，一个典型的石墨烯薄片的尺寸可以达到11μm,并具有10-30nm的厚度。这些大尺寸的石墨烯薄片将会给复合材料提供较高的导电性。由于它们的尺寸较大，在构成导电网络后，它们之间的接触电阻式比较低的。所以在环氧树脂复合材料中，仅仅0.3％的体积比的该石墨烯薄片就可以形成导电通路，该复合材料的电阻为10⁸ω·cm。

以上内容是结合具体的优选实施方案对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演和替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种石墨烯薄片的制备方法，摆脱了传统化学法石墨烯合成工艺中的局限和障碍，通过膨胀法剥离分散得到石墨烯薄片；采用了低成本的石墨和膨胀性反应物为为原料，制备方法包括：将分解膨胀性反应物与膨胀石墨混合后加入到反应器中密封。混合后，将上述反应器加热至400℃‑600℃，保持3‑5min，自然冷却至室温，收集产物，将可以获得石墨烯产物。该反应具有反应速度快，设备简单，操作简单，易于实现自动化及工业化生产等优势。得到的石墨烯产品具有尺寸大，导电性强，缺陷少，晶体结构完整等优点，可以用于导电涂料，电池中的导电添加剂。

技术研发人员：卓志坚
受保护的技术使用者：珠海市扬程玻璃制品有限公司
技术研发日：2018.11.19
技术公布日：2019.03.01