CN103738948A

CN103738948A - 一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法

Info

Publication number: CN103738948A
Application number: CN201310592795.5A
Authority: CN
Inventors: 王云峰; 李晓斐
Original assignee: YANCHENG NAXIN TIANDI NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: YANCHENG NAXIN TIANDI NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明涉及一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，将石墨浸泡到插层剂中，使溶剂分子插层到石墨的层间，得到石墨层间化合物，即可膨胀石墨。然后将可膨胀石墨在氩气的保护下快速加热，石墨层间的溶剂分子体积急速变大膨胀，这个力大于石墨层间的范德华力，将石墨层间膨胀开，得到膨胀石墨。在得到膨胀石墨后利用超声分散液相剥离法进行剥离筛选，得到石墨烯溶液，再经过抽滤、洗涤、烘干，得到石墨烯固体粉末。将石墨烯固体经超声分散在正丁醇溶液中，得到易于与各种塑料复合的石墨烯正丁醇溶液。

Description

一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法。

背景技术

石墨烯，碳原子经sp²杂化相互键合组成的单层二维晶体，具有优异的电学、热学、力学等性能，自2004年发现以来得到研究者的广泛关注。其在复合材料、太阳能电池、传感器等领域具有广泛的应用前景，且有望在半导体领域代替硅材料，在下一代集成电路、储能材料、柔性显示材料、生物制药、航空航天、环保材料、导热材料、高强度钢材等众多领域具有广阔的应用前景，是影响和引领新一轮产业革命的战略性新材料。因此亟待寻求一种大量制备石墨烯的方法。

现有技术对石墨烯的制备方法包括物理方法和化学方法，每种方法各有优势，同时也有各自的缺点。利用微机械脱落石墨的物理方法制备单晶石墨烯薄膜晶格缺陷少，需要超高的温度条件，工艺复杂，制备时间长，产量低等缺点，只限于实验室基础研究。模板外延法是在高温和超高压条件下，在单晶SiC表面外延生长制备石墨烯，这种制备方法可获得大面积的石墨烯，但其成本较高、产物不易从基底上分离等因素极大地限制了该方法的推广和应用。基于物理方法的局限性，化学方法因其产率高，成本低，亦可对石墨烯进行化学修饰的优势引起了研究者的关注。该方法是在强酸和强氧化剂作用下对石墨粉进行氧化插层生成氧化石墨，再超声剥离分散为单层制备成氧化石墨烯水溶胶，最后将其脱氧还原成石墨烯。其中，选择合适的还原剂是研究者极为关注的问题。常用的还原剂有水合肼、对苯二酚、硼氢化钠、还原性糖、铝粉等。但水合肼和对苯二酚都有很强的毒性，对人体和环境有害；抗坏血酸虽是一种高效、环境友好型还原剂，然而其价格昂贵，不利于工业化大规模生产。

基于已有的技术，通过N-甲基吡咯烷酮进行插层加热膨胀的石墨烯水溶液已经取得初步成功，但在部分工业用途中，水溶液不具备其它有机化合物的物质特性，无法满足多样化工业用途。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提供一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，利用N-甲基吡咯烷酮作为插层剂，选用天然石墨为原料，通过多次进行超声制备均匀分散的单层石墨烯溶液，抽滤、洗涤、烘干得到石墨烯固体粉末，将石墨烯固体经超声分散在正丁醇溶液中，得到分散均匀的石墨烯正丁醇溶液。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，按照以下步骤进行：

（1）在-5~0℃下将石墨加入到有机溶液中配置石墨溶液，充分搅拌30min~2h，通过超声使溶剂分子插层到石墨的层间，得到可膨胀石墨；

（2）将可膨胀石墨使用氩气进行充分保护，在80~90⁰C的温度中充分加热10min~2h，得到膨胀石墨；

（3）利用超声分散的液相剥离法对膨胀石墨进行剥离筛选，得到石墨烯溶液；

（4）再经过抽滤、洗涤、烘干，得到石墨烯固体粉末；

（5）将石墨烯固体经超声分散在正丁醇溶液中，得到分散均匀的石墨烯正丁醇溶液。

与现有技术相比，本发明的优点在于用N-甲基吡咯烷酮插层加热膨胀液相剥离法制得的产品可以制作成干粉或者分散于各种分散液，有利于与石油焦改性活性炭等多种材料复合。将石墨烯分散在正丁醇中，利于石墨烯与各种塑料复合，可作为有机染料和印刷油墨的溶剂、脱蜡剂。

附图说明

图1为石墨烯原子力显微镜图片。

图2为石墨烯高度分布图。

图3为石墨烯扫描电子显微镜示意图。

具体实施方式：

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，按照以下步骤进行：

（1）配制100ml由十二烷基三苯基溴化膦与N-甲基吡咯烷酮以1:2的比例组成的溶液，在-4℃的环境中将1.5g的1000目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超声90min使溶剂分子插层到石墨分子间，得到可膨胀石墨。

（2）在氩气保护环境下，加热至86℃并保温30min，得到膨胀石墨。

（3）在工作频率60kHZ，功率160W作用下，对膨胀石墨溶液进行超声剥离90min后，得到黑色单层石墨烯溶液。

（4）对石墨烯溶液进行抽滤，滤饼用2%稀盐酸洗涤2次，去离子水洗至中性后，60℃烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固体粉末。

（5）将制得石墨烯固体粉末分散在100ml正丁醇溶液中，在工作频率60kHZ，功率160W作用下超声1h后使石墨烯均匀分散在正丁醇溶液中，得到黑色单层石墨烯正丁醇溶液。

实施例2

一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，按照以下步骤进行：

（1）配制100ml由十二烷基三苯基溴化膦与N-甲基吡咯烷酮以2:1的比例组成的溶液，在-4℃的环境中将1.5g的1000目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超声90min使溶剂分子插层到石墨分子间，得到可膨胀石墨。

实施例3

一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，按照以下步骤进行：

（1）取100ml十二烷基三苯基溴化膦溶液，在-4℃的环境中将1.5g的1000目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超声90min使溶剂分子插层到石墨分子间，得到可膨胀石墨。

实施例4

一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，按照以下步骤进行：

（1）取100ml N-甲基吡咯烷酮溶液，在-4℃的环境中将1.5g的1000目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超声90min使溶剂分子插层到石墨分子间，得到可膨胀石墨。

在单层石墨烯正丁醇溶液的制备过程中，选用N-甲基吡咯烷酮作为插层剂对石墨剥离成单层石墨烯的效果较好，单层率高达99%以上，易于石墨烯分散在其他有机溶剂中。最后，利用原子力电子显微镜图1-2所示，和扫描电子显微镜图3所示，对石墨烯的形貌和结构进行了表征。石墨烯的原子力显微镜图1所示，表明单层石墨烯层是平整和平滑的，厚度图2所示，约为0.5-1.0nm。同时，石墨烯的扫描电子显微镜图片图3所示，进一步证实了石墨烯的薄层形貌。

Claims

1.一种单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

（1）在-5~0℃下将石墨加入到有机溶液中配置石墨溶液，充分搅拌30min~2h，通过超声使溶剂分子插层到石墨的层间，得到可膨胀石墨溶液；

（2）将可膨胀石墨使用氩气进行充分保护，在80~90⁰C的温度中充分加热20min~1h，得到膨胀石墨；

（4）再经过抽滤、洗涤、烘干，得到石墨烯固体粉末；

2.根据权利要求1所述的单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的有机溶液为十二烷基三苯基溴化膦或N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种。

3.根据权利要求l所述的单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，所述的石墨为400~1000目的天然石墨粉。

4.根据权利要求1所述的单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的石墨溶液浓度为1%~5%。

5.根据权利要求1所述的单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的超声为在工作频率45kHz，功率160W作用下，超声30min~2h。

6.根据权利要求l所述的单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的超声分散的液相剥离法为在工作频率60kHZ，功率160W作用下，对现有膨胀石墨溶液进行超声剥离30min~2h。

7.根据权利要求l所述的单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述的抽滤、洗涤、烘干为将石墨烯溶液进行抽滤，得到的滤饼用2%稀盐酸洗涤1~5次，抽滤的滤饼再用去离子水洗涤至中性，抽滤后，在60℃烘箱中烘干2~12h。

8.根据权利要求l所述的单层石墨烯正丁醇溶液制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述的将石墨烯固体经超声分散在正丁醇溶液中为将得到的单层石墨烯固体添加到正丁醇溶剂中，在工作频率60kHZ，功率160W作用下超声30min~2h，使石墨烯均匀分散在正丁醇溶液中。