CN103213979A

CN103213979A - 一种溶剂热法制备石墨烯的方法

Info

Publication number: CN103213979A
Application number: CN2013101697066A
Authority: CN
Inventors: 赵建国; 潘启亮; 邢宝岩; 耿煜; 杨辉; 王海青
Original assignee: Shanxi Datong University
Current assignee: Shanxi Datong University
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明为了克服现有技术的缺点，提供了一种有机溶剂热法制备石墨烯的方法。该方法包括如下步骤：1)膨胀石墨或高纯石墨在超声波作用下，在有机溶剂中分散，得到石墨分散液；2)将石墨分散液置于聚四氟乙烯高压反应釜中，高温高压作用，得到石墨烯分散液；3)对石墨烯分散液进一步超声分散，离心，收集上层液，抽滤、冷冻干燥得到石墨烯粉末。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征了石墨烯的形貌；用拉曼光谱表征了石墨烯的缺陷。结果表明，本发明方法制备的石墨烯具有尺寸大，质量高，缺陷少等优点，为石墨烯的大规模应用提供了可行性的方法。

Description

一种溶剂热法制备石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及一种溶剂热法制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是继富勒烯、纳米碳管之后被科学家们发现的又一种新的碳元素结构形态，是由sp²杂化碳原子键合，且具有六方点阵蜂窝状二维结构的单层平面石墨。石墨烯具备许多超越传统石墨-炭材料的特殊性质，是人类已知的强度最高，导电性、导热性最好的物质，是复合材料理想的增强材料，世界各国无一不把它作为关键材料来竞相发展。石墨烯的出现，有望从结构材料到用于电子器件的功能性材料等广泛领域引发材料革命。石墨烯或将成为高性能复合材料、高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、超级电容器、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。

目前有关石墨烯的制备方法主要有物理方法和化学方法。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过微机械剥离法来制备单层或多层石墨烯，此法原料易得，操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少，但费时、产率低下，不适于大规模生产。化学方法通常有化学气相沉积法((Chemical vapordeposition，CVD)和氧化还原法。化学气相沉积法是反应物质在相当高的温度、气态条件下发生化学反应，生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，CVD法可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求，但现阶段较高的成本、复杂的工艺以及精确的控制加工条件制约了CVD法制备石墨烯的发展；氧化还原法是目前最常用的制备石墨烯的方法，国内外科学家已经对这方面做了大量的研究，但是该方法所使用的氧化剂主要为浓硫酸、高锰酸钾和重铬酸钾等强氧化剂，这些试剂不易回收，会对环境造成严重污染，而且氧化剂对石墨层有破坏作用，石墨烯存在较多的缺陷。因此，开发简单、高产量、高质量、大尺寸的石墨烯的制备方法是石墨烯进一步发展的重点，也是实现石墨烯大规模，低成本使用的前提条件。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术的缺点，提供了一种有机溶剂热法制备石墨烯的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现，其主要特点包含于下述步骤：

1)膨胀石墨或高纯石墨在超声波作用下在有机溶剂中分散，得到石墨分散液。

2)将石墨分散液置于聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压反应釜中，高温高压作用，得到石墨烯分散液。

3)对石墨烯分散液进一步超声分散，离心，收集上层液，抽滤，用水超声滤饼制得石墨烯水溶液，对石墨烯水溶液进行冷冻干燥得到石墨烯粉末。

步骤1)中所述的膨胀石墨或高纯石墨可通过商业途径获得。

步骤1)中所述对石墨进行的超声功率为20-200W，超声时间为1-300小时。有机溶剂选自下述至少一种：四氢呋喃，N，N-二甲基甲酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜，甲苯。石墨分散液的浓度为0.1-10mg/mL。

步骤2)中所述对石墨分散液的温度为50-220℃。

步骤3)中所述对石墨烯分散液进行的超声功率为20-200W，超声时间为1-300小时，对石墨烯分散液离心的转速为500-5000rpm，离心时间为5-100分钟。离心的目的是除去多层石墨，得到高质量、低层数石墨烯。

本发明大量制备石墨烯，优点在于：(1)所用原料成本低；(2)操作简单，可以大规模使用；(3)所用溶剂可重复使用，节约成本。

本发明通过溶剂热法和超声剥离法结合的手段制备得到了石墨烯。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征了石墨烯的形貌；用拉曼光谱表征了石墨烯的缺陷。结果表明，本发明方法制备的石墨烯具有尺寸大，质量高，缺陷少等优点，对大规模石墨烯的应用提供了可行性的方法。

附图说明

图1是制备石墨烯的外观形貌图。

图2是实施例1制备得到的石墨烯的扫描电子显微镜照片。

图3是实施例1制备得到的石墨烯的透射电子显微镜照片。

图4是实施例1制备得到的石墨烯的选区电子衍射照片。

图5是实施例1制备得到的石墨烯的拉曼光谱。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为石墨烯产物形貌图，由图可知：石墨烯粉末为膨松状黑色粉末。

图2所示，为石墨烯扫描电子显微镜照片，由图可以清楚的发现所制备的石墨烯为单层石墨烯，尺寸约为2μm。

图3所示，为石墨烯的透射电子显微镜照片，由图可以的观察到薄层石墨烯的形貌。

图4所示，为石墨烯的选区电子衍射照片，由图中可以看出电子衍射图为标准的六边形，说明所制备的石墨烯结晶程度很好，缺陷较少。

图5所示，为石墨烯的拉曼光谱图，由图可以看出石墨烯具有小片组成的D峰(1350cm^-1)，以及较强的G峰(1580cm^-1)和明显的2D峰(2700cm^-1)，2D峰强于D峰，说明所制备的石墨烯以单层为主。

具体实施方式

本发明制备石墨烯方法主要包括以下几步骤：

第一步：石墨分散液的制备

将膨胀石墨或高纯石墨加入到有机溶剂中，在超声作用下形成石墨分散液。

第二步：低纯石墨烯分散液的制备

将第一步中制得的石墨分散液置于聚四氟乙烯高压反应釜中，高温高压下反应，得到低纯石墨烯分散液。

第三步：高纯石墨烯分散液的制备

将第二步中制得的低纯石墨烯分散液进行超声和高速离心，收集上层液，得到高纯分散液。

第四步：石墨烯的制备

将第三步制得的高纯石墨烯分散液用纤维素膜高压抽滤除去有机溶液，然后用蒸馏水超声石墨烯得到石墨烯水溶液，最后将石墨烯水溶液冷冻干燥得到石墨烯。具体实施实例如下：

实施例1：

将100mg膨胀石墨加入到100mL四氢呋喃溶液中，在200W的超声功率下，超声10小时，得到石墨分散液；然后将石墨分散液置于200mL的聚四氟乙烯高压反应釜中，150℃反应24h，冷却至室温获得低纯石墨烯分散液；将低纯石墨烯分散液置于150mL烧杯中，以200W的功率超声5小时，得到大量黑色溶液；将黑色溶液加入到30mL的塑料离心管中，以500转/分钟的转速，离心30分钟，用吸管吸取上层液体，得到高纯石墨烯溶液；最后将高纯石墨烯溶液用纤维素膜抽滤，用100mL蒸馏水，在200W的超声功率下超声5小时，得到石墨烯水溶液，在-40℃下将石墨烯水溶液冷冻干燥得到石墨烯。

实施例2：

石墨烯的制备方法基本同实施例1。区别在于：在制备石墨分散液时，分别采用N，N-二甲基甲酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜，甲苯。同样可以获得石墨烯。

实施例3：

石墨烯的制备方法基本同实施例1。区别在于：在制备低纯石墨烯分散液时，反应温度设定为170℃，同样可以获得石墨烯。

实施例4：

石墨烯的制备方法基本同实施例1。区别在于：在制备低纯石墨分散液时，将反应时间设定为48h，同样可以获得石墨烯。

实施例5：

石墨烯的制备方法基本同实施例1。区别在于：在制备石墨分散液时，将300mg高纯石墨加入到100mL四氢呋喃溶液中，同样可以获得石墨烯。

实施例6：

石墨烯的制备方法基本同实施例1。区别在于：在制备高纯石墨分散液时，将离心转速调为1500转/分钟，同样可以获得石墨烯。

实施例7：

石墨烯的制备方法基本同实施例1。区别在于：在制备高纯石墨分散液时，将超声功率设定为50W，同样可以获得石墨烯。

Claims

1.一种溶剂热法制备石墨烯的方法，包括如下步骤：

1)膨胀石墨或高纯石墨在超声作用下在有机溶剂中分散，得到石墨分散液。

2)将石墨分散液置于聚四氟乙烯高压反应釜中，高温高压作用，制得石墨烯分散液。

3)对石墨烯分散液进一步超声分散，离心，收集上层液，抽滤、用水超声滤饼制得石墨烯水溶液，对石墨烯水溶液冷冻干燥得到石墨烯粉末。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述对膨胀石墨或高纯石墨进行的超声功率为20-200W，超声时间为1-300小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述有机溶剂选自下述至少一种：四氢呋喃，N，N-二甲基甲酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜，甲苯。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中所述对石墨分散液的反应温度为50-220℃，压力为溶剂反应温度下的的蒸汽压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述对石墨烯分散液进行的超声功率为20-200W，超声时间为1-300小时。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述对石墨烯分散液离心的转速为500-5000rpm，离心时间为5-100分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述对石墨烯水溶液冷冻干燥的温度-10℃～-70℃为时间为1-100小时。