CN102897756A

CN102897756A - 一种石墨烯的制备方法

Info

Publication number: CN102897756A
Application number: CN2012103475770A
Authority: CN
Inventors: 王泽高; 陈远富; 李萍剑; 贺加瑞; 郑斌杰; 刘竞博; 郝昕; 张万里; 李言荣
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开了一种石墨烯的制备方法，具体通过将现有技术手段制备的氧化石墨分散在绿色还原剂中，在水热环境中，通过不平衡反应，将氧化石墨上的氧去除，使得其被还原，从而得到石墨烯。本发明法方法制备的石墨烯含氧量低，电导高，操作简单，而且成本低廉，效率高，能真正在实现公斤级石墨烯的制备，不采用对环境危害较大或者毒性较强的还原剂，对环境无污染，使生长流程大大简化，适合进行工业化生产，在基于石墨烯的领域具有潜在的实际应用价值。

Description

一种石墨烯的制备方法

技术领域

本发明属于化学合成技术领域，具体涉及一种石墨烯的制备方法，特别是制备公斤级石墨烯粉末的制备方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学Geim教授发现的石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的碳质新材料。理论研究发现：石墨烯具有200,000cm²/Vs的载流子迁移率。电子在石墨烯中的运动速度达到光速的1/300，导电性可以与金属铜相比。此外，石墨烯以其较大的比表面积而具有较大的催化特性，被广泛应用于能源、催化领域，如锂离子电池、超级电容器等。

目前已研究的石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、液相化学法、热解SiC法、CVD法等。对于微机械剥离法、热解SiC法和CVD法所制备的石墨烯，因其所制备的石墨烯呈现薄膜形态而产率较低，难以应用于需求量较大的能源领域。采用液相化学法制备的石墨烯，以其比表面积大，产率大，成本低廉而有望应用于能源领域。至今已有多篇文献公开报道了，采用液相化学法制备的石墨烯作为活性物质在锂离子电池、超级电容器等领域的巨大应用前景。

然而液相化学法制备石墨烯的过程分为两个部分，首先将天热石墨在强氧化剂，如浓硫酸、高锰酸钾及双氧水中充分氧化同时使石墨膨胀，得到氧化石墨。其次是在还原气氛中将上述氧化石墨还原，从而得到石墨烯，也称氧化石墨烯。

现有的还原手段主要有如下几种：1.在惰性气体中加热到200度以上还原，但是此种方法所制备的石墨烯常常因为还原不彻底而表现出较差的电导性及催化特性；2.在微波炉中进行微波还原，但是由于微波炉难以在惰性气体中，因此所制备的石墨烯也呈现出还原不彻底的情况；3.在还原剂中，如硼氢化钠等，在工业中，制备公斤级石墨烯时，这些残留物往往对环境产生巨大的危害，或者需要花费更多的人力、物力去处理残留物。

CN102320598A公开了一种石墨烯的制备方法，具体是将氧化石墨在高温炉中膨胀，然后在溶解有金属的液氨溶液中还原得到石墨烯。该方法中所用的液氨是一种刺激性物品，对人体有害，对环境不友好，其次液氨需要在一定压强，一定温度下才能保存，否则会挥发；此外，通过该方法制备的石墨烯含有氮原子掺杂，导致所制备的石墨烯纯度较差，繁琐的制备工艺，限制了该方法在石墨烯工业界的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的液相化学法在制备石墨烯时存在的上述问题，提出了一种石墨烯的制备方法。

本发明的技术方案为：一种石墨烯的制备方法，具体为：将氧化石墨溶解分散于绿色还原剂中，在水热反应釜中进行水热反应，然后过滤即可得到石墨烯粉末。

所述的氧化石墨具体通过强氧化剂对天然石墨进行氧化处理所得到。

所述的绿色还原剂，可以是酸、碱、醇、水中的一种或者是任意两种混合。这里的绿色还原剂需要是液态的，以便氧化石墨能够分散均匀，如果绿色还原剂是固态的，可以是将其溶解在与其性质相符的溶剂中，如果绿色还原剂是液态的则可以直接使用。

所述步骤中将氧化石墨溶解分散在绿色还原剂中，氧化石墨的浓度在0.1~1000mg/ml。

所述的酸，可以是无机酸，如盐酸；也可以是有机酸，如乙酸。

所述的碱，可以是氢氧化钠水溶液、氢氧化钙水溶液、氨水中的一种。

所述的醇，可以是甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、异丙醇中的一种。

所述的水，是经过净化处理的纯净水。

所述的水热反应釜是为反应提供一个密闭的环境，可以承受相应的温度及压强，是一种现有工具；氧化石墨与绿色还原剂的体积占水热釜容积的30~80%。

所述的水热反应时间在3小时以上、水热反应的温度在100度以上，具体的反应时间及温度根据不同的绿色还原剂进行调节。

本发明的有益效果：本发明的石墨烯的制备方法通过将现有技术手段制备的氧化石墨分散在绿色还原剂中，在水热环境中，通过不平衡反应，将氧化石墨上的氧去除，使得其被还原，从而得到石墨烯。本发明法方法制备的石墨烯含氧量低，电导高，操作简单，而且成本低廉，效率高，能真正在实现公斤级石墨烯的制备，不采用对环境危害较大或者毒性较强的还原剂，对环境无污染，使生长流程大大简化，适合进行工业化生产，在基于石墨烯的领域具有潜在的实际应用价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例一、采用水作为绿色还原剂还原氧化石墨制备石墨烯，其具体步骤如下：

将0.5g氧化石墨置于在40ml水中，超声分散；将上述氧化石墨与水的混合物置于50ml的水热反应釜中，在180度下保持12小时；自然冷却后将水热反应后的水和石墨烯混合物过滤得到石墨烯。

通过该实施例获得的石墨烯，其氧原子与碳原子的比例为10%，拉曼D峰强度与G峰强度的比为0.8，显示出氧化石墨已经得到良好的还原。

实施例二、采用乙醇作为绿色还原剂还原氧化石墨制备石墨烯，其具体步骤如下：

将1g氧化石墨置于在40ml乙醇中，超声分散；将上述氧化石墨与乙醇的混合物置于100ml的水热反应釜中，在100度下保持12小时；自然冷却后将水热反应后的乙醇和石墨烯混合物过滤得到石墨烯。

通过该实施例获得的石墨烯，其氧原子与碳原子的比例为8%，拉曼D峰强度与G峰强度的比为0.7，显示出氧化石墨已经得到良好的还原。

实施例三、采用乙酸作为绿色还原剂还原氧化石墨制备石墨烯，其具体步骤如下：

将0.3g氧化石墨置于在40ml乙酸中，超声分散；将上述氧化石墨与乙酸的混合物置于80ml的水热反应釜中，在130度下保持12小时；自然冷却后将水热反应后的乙酸和石墨烯混合物过滤得到石墨烯。

通过该实施例获得的石墨烯，其氧原子与碳原子的比例为14%，拉曼D峰强度与G峰强度的比为0.9，显示出氧化石墨已经得到良好的还原。

实施例四、采用氨水作为绿色还原剂还原氧化石墨制备石墨烯，其具体步骤如下：

将2g氧化石墨置于在80ml氨水中，超声分散；将上述氧化石墨与氨水的混合物置于150ml的水热反应釜中，在120度下保持4小时；自然冷却后将水热反应后的氨水和石墨烯混合物过滤得到石墨烯。

通过该实施例获得的石墨烯，其氧原子与碳原子的比例为7%，拉曼D峰强度与G峰强度的比为0.9，显示出氧化石墨已经得到良好的还原。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种石墨烯的制备方法，具体为：将氧化石墨溶解分散于绿色还原剂中，在水热反应釜中反应，然后过滤即可得到石墨烯粉末。

2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的氧化石墨具体通过强氧化剂对天然石墨进行氧化处理得到。

3.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的绿色还原剂具体为酸、碱、醇、水中的一种或者是任意两种混合。

4.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的将氧化石墨溶解分散在绿色还原剂中，氧化石墨的浓度为0.1~1000mg/ml。

5.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的酸具体为无机酸或有机酸。

6.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的碱具体为氢氧化钠水溶液、氢氧化钙水溶液、氨水中的一种。

7.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的醇具体为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、异丙醇中的一种。

8.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的水是经过净化处理的纯净水。

9.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，氧化石墨与绿色还原剂的体积占水热釜容积的30~80%。

10.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述的水热反应时间在3小时以上、温度在100度以上。