CN107265445A

CN107265445A - 一种高质量石墨烯的绿色高效制备法

Info

Publication number: CN107265445A
Application number: CN201710545843.3A
Authority: CN
Inventors: 郭新立; 张弘毅; 葛创; 陈忠涛; 赵丽; 张伟杰; 祝龙; 刘园园
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2017-10-20

Abstract

本发明提供一种高质量石墨烯的绿色高效制备方法。主要包括以下工艺步骤：1.对石墨粉进行热膨胀处理以制得膨胀石墨。2.将得到的膨胀石墨同甲基吡咯烷酮(NMP)试剂混合，添加胆酸钠作为表面活性剂，再置于实验室高速乳化机下进行高速剪切处理。剪切后的原料通过离心过滤收集。该工艺流程简单易操作，过程稳定成本低廉，且可以在短时间内进行批量制备，提供了一种高效稳定制备石墨烯的方案，该产物石墨烯片层结构完整，具有较好的导电性能，并且制备过程未添加酸碱等环境污染物，在石墨烯的绿色制备领域有广阔的应用前景。

Description

一种高质量石墨烯的绿色高效制备法

技术领域

本发明涉及绿色高效率制备高质量石墨烯的制备工艺，属于材料化学制备技术领域。

背景技术

石墨烯是一种新型的碳纳米材料，具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，完美的晶格结构使其具有优异而独特的力学、电学、光学和热学特性，包括高热导率，室温下超高的电子迁移率，高理论比表面积等，使其在场效应晶体管等量子器件、集成电路、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面具有广泛的应用潜力。在石墨烯的科教研究工作中，最主要的制约因素的石墨烯原料的大批量、高质量宏观制备。目前实验室中石墨烯的主要制备方法有氧化还原法和化学气相沉积法。两种制备方法都有各自的优点和缺点。

氧化还原法制备石墨烯是利用氧化剂在石墨间插层的方式将石墨烯剥离，其优点是可以在实验室范围内大规模制备石墨烯，但是这种方法制备出的石墨烯缺陷较多，对石墨烯的电学、热学等性能有比较严重的制约。另外，制备过程中需要使用强酸和有毒的还原剂，因此环境负担较重。化学气相沉积法制备石墨烯则是将碳的小分子在金属箔片上沉积从而制备出单层石墨烯。其优点是制备出的石墨烯缺陷少，性能较好，但是单次制备的石墨烯量很少，且单次制备时间较长，效率低，成本高。因此寻找一种新型的、可以同时兼顾高质量、高效和绿色制备石墨烯的方法对于石墨烯的研究和应用极为重要。

液相法制备石墨烯是最近几年新兴起的石墨烯制备法，其特点是以液相物质作为媒介，通过对石墨进行机械力、化学反应等作用以生成石墨烯。目前多采用超声波法，用超声波作用对石墨进行局部高能震荡以剥离而制备石墨烯。使用机械剪切力可以在更低的能耗下进行石墨烯制备，更符合当下节能环保的要求。

本发明以甲基吡咯烷酮(NMP)试剂作为制备相，胆酸钠为表面催化剂，通过在高速实验室乳化机中对膨胀处理的石墨进行高速剪切处理以制备石墨烯。提供了一种高效、绿色制备高质量石墨烯的新途径。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种高质量石墨烯的绿色高效制备方法。该方法通过在试剂中对热膨胀石墨进行高速剪切处理从而制得剪切石墨烯。本方法成本低、操作简单、效率高、可以大量制备，并且制备过程没有酸碱等化学试剂加入，利于环保。与通常的液相超声剥离法制备石墨烯相比，剪切制备耗能低且周期短，更适于批量化工业生产制备。

技术方案：本发明所述一种高质量石墨烯的绿色高效制备方法包括以下工艺步骤：

A.制备膨胀石墨：将石墨粉置于陶瓷坩埚中，对其进行高温热处理，冷却至室温即可得到热膨胀石墨粉；

B.剪切法制备石墨烯：将已制得的热膨胀石墨粉同胆酸钠表面活性剂溶入甲基吡咯烷酮NMP试剂中，在高速乳化机下对其进行剪切处理；

C.剪切试剂的去除和样品提纯：

1)对剪切后的样品试剂进行真空抽滤，以去除试剂；

2)将步骤1)中抽滤后的材料取出，离心处理即得到提纯产物。

其中：

所述的高温热处理，其处理温度为900℃-1100℃。

所述的高温热处理，其处理时间为15-30分钟。

所述的高速乳化机剪切处理的转速为10000-16000rpm。

所述的剪切处理，处理时间为1-5h。

所述的热膨胀石墨粉、胆酸钠表面活性剂、甲基吡咯烷酮NMP试剂的比值为：(20-30):1:(7000-8000)。

所述的对剪切后的样品试剂进行真空抽滤，抽滤的次数大于3次。

所述的离心处理，离心机的转速为5000-10000rpm。

有益效果：采用本发明方法，可以高效、稳定的制备出低层高质量石墨烯，操作简单，并且制备过程没有酸碱等有害化学药品参与，可实现批量化绿色生产制备。与通常的液相超声剥离法相比，本发明的创新点在于直接使用机械力对石墨样品进行剪切处理，制备更简易并耗能较低。

具体实施方式

实施方案1：

(1).制备热膨胀石墨粉：将5-10g石墨粉置于陶瓷坩埚中，在950℃高温炉内热处理15-20分钟，冷却至室温。

(2).剪切法制备石墨烯：在溶有0.2-0.4g胆酸钠的1500-2500ml甲基吡咯烷酮(NMP)试剂中溶入已制得的热膨胀石墨，并使用实验室高速乳化机对其进行10000-16000rpm的剪切处理，3-5h后停止剪切。

(3).试剂去除：将步骤(2)得到的样品试剂放置于抽滤机中反复抽滤4-5次。

(4).将步骤(3)中抽滤后的材料取出，7500-10000rpm条件下离心4-6次即可得到提纯产物。

实施方案2：

(1).制备热膨胀石墨粉：将2.5-7.5g石墨粉置于陶瓷坩埚中，在950℃高温炉内热处理15-20分钟，冷却至室温。。

(2).剪切法制备石墨烯：在溶有0.1-0.3g胆酸钠的750-2250ml甲基吡咯烷酮(NMP)试剂中溶入已制得的热膨胀石墨，并使用实验室高速乳化机对其进行13000-16000rpm的剪切处理，持续2-4h。

(3).试剂去除：将步骤(2)得到的样品试剂放置于抽滤机中反复抽滤3-5次。

(4).将步骤(3)中抽滤后的材料取出，在7000-10000rpm条件下离心3-4次即可得到提纯产物。

实施方案3：

(1).制备热膨胀石墨粉：将5-7.5g石墨粉置于陶瓷坩埚中，在950℃高温炉内热处理15-20分钟，冷却至室温。

(2).剪切法制备石墨烯：在溶有0.3-0.6g胆酸钠的1500-2250ml甲基吡咯烷酮(NMP)试剂中溶入已制得的热膨胀石墨，并使用实验室高速乳化机对其进行13000-16000rpm的剪切处理，持续1-3h。

(4).将步骤(3)中抽滤后的材料取出，在8000-10000rpm条件下离心3-4次即可得到提纯产物。

实施方案4：

(1).制备热膨胀石墨粉：将10-10g石墨粉置于陶瓷坩埚中，在950℃高温炉内热处理15-20分钟，冷却至室温。

(2).剪切法制备石墨烯：在溶有0.4-0.8g胆酸钠的3000-5000ml甲基吡咯烷酮(NMP)试剂中溶入已制得的热膨胀石墨，并使用实验室高速乳化机对其进行14000-17000rpm的剪切处理，持续2-5h。

(4).将步骤(3)中抽滤后的材料取出，在6000-10000rpm条件下离心4-6次即可得到提纯产物。

Claims

1.一种高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

C.剪切试剂的去除和样品提纯：

1)对剪切后的样品试剂进行真空抽滤，以去除试剂；

2)将步骤1)中抽滤后的材料取出，离心处理即得到提纯产物。

2.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于，所述的高温热处理，其处理温度为900℃-1100℃。

3.根据权利要求1或2所述的高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于，所述的高温热处理，其处理时间为15-30分钟。

4.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于，所述的高速乳化机剪切处理的转速为10000-16000rpm。

5.根据权利要求1或4所述的高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于，所述的剪切处理，处理时间为1-5h。

6.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于，所述的热膨胀石墨粉、胆酸钠表面活性剂、甲基吡咯烷酮NMP试剂的比值为：(20-30):1:(7000-8000)。

7.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于，所述的对剪切后的样品试剂进行真空抽滤，抽滤的次数大于3次。

8.根据权利要求1所述的高质量石墨烯的绿色高效制备方法，其特征在于，所述的离心处理，离心机的转速为5000-10000rpm。