CN103922325B - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种石墨烯的制备方法。步骤一，将有机溶剂与石墨粉按质量比为100～10000：1的比例混合，搅拌0.5～2小时，在-30℃～0℃条件下冷冻0.5～4小时，快速升温至100℃～200℃反应0.5～4小时；冷却、离心，取出上层含石墨烯的液体；步骤二，下层固体继续加入有机溶剂，重复步骤一的操作，至固体残留物消失；步骤三，合并含石墨烯的液体，过滤，用乙醇洗涤，80℃干燥12小时，得到石墨烯。本发明提供了一种以普通的石墨粉为原料，工艺简便，设备简单、生产成本低，少污染，产品质量高的石墨烯制备方法。

Description

一种石墨烯的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯其独特的力学、热学、电学及光学性能，成为目前国际上研究的一个热点。大规模地制备单层或者少层石墨烯材料成为目前制约石墨烯广泛应用和工业化生产的重要问题。目前石墨烯的制备方法主要有以下几类：机械剥离法、外延生长法，化学气相沉积法、化学合成法、氧化石墨烯还原法，及纵向切割碳管法等。

机械剥离法：2004年，Geim和Novoselov利用该法将热解石墨用胶带反复撕揭，然后分离回收，获得大片层石墨烯。但是此法费时费力，产率及单层率都极低，不适用大规模生产石墨烯。外延生长法：以单晶SiC片，利用高温升华去除硅原子，得到外延生长的石墨烯。但是此法制备的石墨烯片数不一，基底掺杂容易影响石墨烯的电化学性能。化学气相沉积法：该法是指高温下裂解碳源在固体存底上沉积的方法。该法得到的石墨烯质量高、产率高。但是一般得到的为多层石墨烯薄膜或不均一的石墨烯薄膜；氧化石墨烯还原法：利用氧化石墨烯前躯体还原成石墨烯，该方法是目前使用最广泛的石墨烯制备方法。相对于其他方法该法原料丰富，操作过程简单，设备易得，产物可加工性好，但是产物的完整性还有待提高。

石墨烯制备的现有技术中与本发明最为接近的现有技术是：一种简单的高质量、溶液稳定的石墨烯制备方法（中国专利申请号：201110455631.9），该研究首先将膨胀石墨与二茂铁混合，微波加热膨胀后用HCl处理，干燥，加入1-甲基-2-吡咯烷酮超声75min，离心，去除大颗粒团聚体，过滤、洗涤、干燥后得到石墨烯。该方法的不足之处：该方法采用的是特定的具有可膨胀性能的膨胀石墨，对于反应原料具有严格的限制；在制备过程中应用了微波、超声技术，增加了生产过程中设备成本；制备过程中除了有机溶剂的使用外，还使用了二茂铁、HCl，不但增加了制备成本，同时提高生产过程中的环保处理成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简便，生产成本低，对环境污染小，产品质量高的石墨烯的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一，将有机溶剂与石墨粉按质量比为100～10000：1的比例混合，搅拌0.5～2小时，在-30℃～0℃条件下冷冻0.5～4小时，快速升温至100℃～200℃反应0.5～4小时；冷却、离心，取出上层含石墨烯的液体；

步骤二，下层固体继续加入有机溶剂，重复步骤一的操作，至固体残留物消失；

步骤三，合并含石墨烯的液体，过滤，用乙醇洗涤，80℃干燥12小时，得到石墨烯。

本发明还可以包括：

1、有机溶剂蒸馏回收，循环使用。

2、所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、甲酰胺或二丙二醇二甲醚。

3、所述有机溶剂优选N-甲基吡咯烷酮。

4、所述快速升温至100℃～200℃是在3～5分钟内升温至100℃～200℃。

本发明提供了一种以普通的石墨粉为原料，工艺简便，设备简单、生产成本低，少污染，产品质量高的石墨烯制备方法。

本发明的主要技术特征是：针对前人制备石墨烯分散性不好及制备步骤繁琐的缺陷，本发明以石墨粉为原料，机溶剂（N-甲基吡咯烷酮）为剥离液，仅利用最简单的冷热膨胀两步法就实现了石墨粉的剥离，得到高性能，在液体中分散性极佳的石墨烯材料。在反应过程中，利用热胀冷缩原理，通过剥离液中大分子的插层作用，实现石墨粉分子层间距的扩大，层间作用力变弱或消失，最后得到了单层石墨烯纳米片。

本发明的技术效果主要体现在：

1在原料方面：本发明以普通的石墨粉为原料，应用范围广，原料成本低；

2在生产设备方面：设备简单，无特殊要求，易于工业化生产，设备成本低；

3在生产工艺方面：工艺简单，仅通过调成反应温度即可实现，易于工业化生产；

4在节能环保方面：所有有机溶剂蒸馏回收，循环使用，可实现污染物0排放。

5在产品方面：石墨烯分散稳定、产率高、厚度薄。

附图说明

图1为剥离前和剥离后产物的XRD图：a为石墨粉；b为石墨烯。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

实施例1：

甲酰胺与石墨粉的质量比为（100～10000）：1混合，搅拌0.5～2小时，在-30℃～0℃条件下冷冻0.5～4小时；升温至100℃～200℃反应0.5～4小时。冷却、离心，取出上层含石墨烯的液体，下层固体继续加入有机溶剂。重复上述步骤3-5次，至固体残留物消失。合并含石墨烯的液体，过滤，用乙醇洗涤，80℃干燥12h，得到石墨烯。有机溶剂蒸馏回收，循环使用。

实施例2：

将实施例1改为：甲酰胺与石墨粉的质量比为500-2000：1，搅拌,0.5-1.5小时，-20～-10℃冷冻1-3小时；快速升温180～200℃下反应1-3小时。

实施例3：

将实施例2改为：甲酰胺与石墨粉的质量比为1000：1，搅拌,1小时。

实施例4：

将实施例3改为：-20～-10℃冷冻1小时；快速升温180～200℃下反应1小时。

实施例5：

将实施例4改为：-10℃冷冻1小时；快速升温180℃下反应1小时。

实施例6：

将实施例1改为：N-甲基吡咯烷酮与石墨粉的质量比为（100～10000）：1混合。

实施例7：

将实施例2改为：N-甲基吡咯烷酮与石墨粉的质量比为500-2000：1混合。

实施例8：

将实施例3改为：N-甲基吡咯烷酮与石墨粉的质量比为1000：1混合。

实施例9：

将实施例4改为：N-甲基吡咯烷酮与石墨粉的质量比为1000：1混合。

实施例10：

将实施例5改为：N-甲基吡咯烷酮与石墨粉的质量比为1000：1混合。

实施例11：

将实施例1改为：二丙二醇二甲醚与石墨粉的质量比为（100～10000）：1混合。

实施例12：

将实施例2改为：二丙二醇二甲醚与石墨粉的质量比为500-2000：1混合。

实施例13：

将实施例3改为：二丙二醇二甲醚与石墨粉的质量比为1000：1混合。

实施例14：

将实施例4改为：二丙二醇二甲醚与石墨粉的质量比为1000：1混合。

实施例15：

将实施例5改为：二丙二醇二甲醚与石墨粉的质量比为1000：1混合。

Claims (2)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征是：

步骤一，将甲酰胺与石墨粉按质量比为100～10000：1的比例混合，搅拌0.5～2小时，在-30℃～0℃条件下冷冻0.5～4小时，在3～5分钟内升温至100℃～200℃反应0.5～4小时；冷却、离心，取出上层含石墨烯的液体；

步骤二，下层固体继续加入甲酰胺，重复步骤一的操作，至固体残留物消失；

步骤三，合并含石墨烯的液体，过滤，用乙醇洗涤，80℃干燥12小时，得到石墨烯。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征是：甲酰胺蒸馏回收，循环使用。