CN107934948B - 一种石墨烯的制备方法及石墨烯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：A)将剥离助剂与有机溶剂混合，得到剥离助剂的溶液或分散液，所述剥离助剂包括联苯及其衍生物、偶氮苯及其衍生物、含苯环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂、含芳香杂环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂中的一种或几种；B)将天然石墨粉加入到所述步骤A)得到的剥离助剂溶液或分散液中，得到吸附有剥离助剂的石墨悬浊液；C)将所述步骤B)得到的吸附有剥离助剂的石墨悬浊液用超声发生器、高速搅拌器或剪切设备中进行处理，得到石墨烯。本发明没有使用强酸、强碱或强氧化剂等原料，制备的石墨烯产率高，缺陷极少，含氧量极低，保持了石墨原有的导热、导电等性质。

Description

一种石墨烯的制备方法及石墨烯

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法及石墨烯，属于碳材料技术领域。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化碳原子排列构成而成的单原子层二维材料。这种几乎完全透明、质轻、柔韧的材料不仅是目前已知最薄、最坚硬的纳米材料，而且具有许多优异的性能，比如石墨烯的导热系数约为5300W/m·K，高于天然石墨、碳纳米管和金刚石等材料；石墨烯常温下的电子迁移率大于15000cm²/V·s，高于纳米碳管和硅晶体；石墨烯的电导率高达10^-6S/m，比铜或银更低，是目前电导率最高的材料，等等。石墨烯的这些特性使得它在锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、海水淡化、发光二极管、传感器、储氢、催化剂载体、复合材料、涂料、生物支架材料、药物控制释放等领域有广泛的应用前景。

目前，可采用许多种方法均可用于制备石墨烯，如微机械剥离法、溶剂剥离法、氧化-还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、微波法和电化学法等。在这些方法中，微机械剥离法和晶体外延生长法制备效率比较低，目前难以满足大规模生产的需要；化学气相沉积法虽然可以获得大尺寸连续的石墨烯薄膜，但适用于电子器件和透明的导电薄膜，却不能满足储能材料及功能复合材料领域的大规模需求；氧化-还原法制备石墨烯粉体的成本低廉且容易实现，但是所制备的石墨烯通常含有较多的缺陷，且在制备过程中会产生大量的废水或废气，对环境造成严重污染；微波法和电化学法具有反应周期短、高效率、绿色无污染和所制备的石墨烯形貌较完整、缺陷少等优点，然而由此制备的石墨烯产量少，尚不能实现大规模的工业化生产。

发明内容

本发明提供了一种石墨烯的制备方法及石墨烯，本发明提供的制备方法没有使用强酸、强碱或强氧化剂等原料，而是采用超声处理或剪切力对天然石墨粉进行液相剥离较快速地得到形貌较完整、缺陷少的石墨烯及非共价改性石墨烯；而且通过合理的回收利用有机溶剂，生成过程可实现环境“零污染”。

本发明提供一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

A)将剥离助剂与有机溶剂混合，得到剥离助剂的溶液或分散液，所述剥离助剂包括联苯及其衍生物、偶氮苯及其衍生物、含苯环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂、含芳香杂环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂中的一种或几种；

B)将天然石墨粉加入到所述步骤A)得到的剥离助剂溶液或分散液中，得到吸附有剥离助剂的石墨悬浊液；

C)将所述步骤B)得到的吸附有剥离助剂的石墨悬浊液用超声发生器、高速搅拌器或剪切设备中进行处理，得到石墨烯。

优选的，所述步骤A)中的有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、环己酮、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、甲苯、苯乙烯、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃、吡啶、多聚磷酸中的一种或几种；

优选的，所述步骤A)中的联苯及其衍生物包括4,4'-二氨基联苯、3,3',5,5'-四甲基联苯胺、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基联苯、2,2'-双(三氟甲基)-4,4'-二氨基联苯、4,4-联苯酚、3,3',5,5'-四甲基联苯酚、44'-联苯二甲酸、3,3',5,5'-联苯四甲酸中的一种或几种；

所述偶氮苯及其衍生物包括偶氮苯、4,4’-二羟基偶氮苯、偶氮苯-4,4-二羧酸、4'-羟基偶氮苯-2-羧酸、苏丹红中的一种或几种。

所述含苯环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂包括4,4'-二羟基联苯二缩水甘油醚(DGEBP)、3,3',5,5'-四甲基联苯二酚二缩水甘油醚(TMDE)、4,4'-双(4-羟基苯甲氧基)-3,3',5,5'-四甲基联苯二缩水甘油醚(DGE-BHBTMBP)、4-(氧基丙基甲氧基)苯甲酸-4,4'-[1,4-丁烷-二基双(氧)]双酚酯、4-((环氧乙烷-2-基氧基)甲氧基)苯基4-((环氧乙烷-2-基氧基)甲氧基)苯甲酸甲酯、1,4-亚苯基双(4-(环氧乙烷-2-基氧基)苯甲酸酯)、(E)-2,2'–(((丙-1-烯-1,2-二基双(4,1-亚苯基))二(氧基))双(亚甲基))二(环氧乙烷)、(1E，1'E)-N，N'-(氧双(4,1-亚苯基))双(1-(4-(环氧乙烷-2-基甲氧基)苯基)甲亚胺)、(1E，1'E)-N,N'-(磺酰基(4,1-亚苯基))二(1-(4-(环氧乙烷-2-基甲氧基)苯基)甲亚胺)、(1E，2E)-1,2-双(1-(4-(环氧乙烷-2-基甲氧基)苯基)亚乙基)肼、4-(4-氧代丙酰基丁氧基)苯甲酸-1,4'-亚苯基酯、1,4-二氨基苯-二(4-羟基-苯甲醛)二缩水甘油醚中的一种或几种。

所述含芳香杂环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂包括聚对苯撑苯并二咪唑、聚对苯撑苯并二噻唑、聚对苯撑苯并二噁唑、脲基取代的胞嘧啶封端的聚丙二醇衍生物中的一种或几种。

优选的，所述步骤A)中的剥离助剂与所述有机溶剂的用量比为1g:(0.1～10000)mL。

优选的，所述步骤B)中的天然石墨粉与所述步骤A)中与所述剥离助剂溶液的用量比为1g:(10～100000)mL。

优选的，所述步骤C)中超声功率大于40W，高速搅拌速率大于2000rpm；所述步骤C)中超声、高速搅拌或剪切剥离处理的时间为＞10min。

所述超声发生器、高速搅拌和剪切设备包括超声波清洗机、超声波分散机、匀质机、高速剪切机、榨汁机、研磨机、螺杆挤出机、三辊机、球磨机、罐磨机、磨盘式混炼机、圆锥式混炼机中的一种或几种。

本发明提供一种石墨烯，按照上述技术方案所述的制备方法制备得到。

本发明提供的制备方法没有采用强酸、强碱或强氧化剂等化学方法对石墨进行氧化剥离，而是采用超声和剪切力等物理方法剥离石墨得到石墨烯，不仅对环境无污染，而且可以保证石墨烯的结构和性能不被破坏。本发明提供的制备方法将联苯及其衍生物、偶氮苯及其衍生物、含苯环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂、含芳香杂环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂等作为剥离助剂，其原理是剥离助剂的苯环或芳香杂环结构与石墨的苯环结构之间通过π-π共轭作用，实现催化剂在所述天然石墨表面上的剥离助剂的均匀吸附；通过剧烈的超声波振动或剪切力物理剥离作用，天然石墨最外层的石墨烯从石墨基材上脱落到溶剂中，随后暴露的石墨新鲜表面会在吸附剥离助剂、被剥离，通过不断重复这一过程，几乎不破坏石墨烯的化学键结构，最终得到晶体质量较高、厚度约为0.7～3nm、横向尺寸为0.1～5μm且表面吸附有剥离助剂的改性石墨烯产品。这类产品在N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮等有机溶剂中分散性好，静置1周无沉淀，且其表面含有-C(O)C-、-NH₂、-COOH或-OH等单一活性官能团，可与聚合物分子发生共价反应，具有很好的填料/聚合物相容性，在制备热界面材料、防腐蚀复合涂层、气密复合薄膜、导电薄膜等领域具有十分广阔的前景。进一步地，通过剥离助剂脱附，可以获得单纯的石墨烯材料。另外，本发明提供的制备方法成本低，操作简单，设备成本低，易于实现石墨烯的工业化生产。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种石墨烯的制备方法及石墨烯进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

首先，将0.02g 4,4'-二羟基联苯二缩水甘油醚与20mL丙酮溶剂混合，超声10min形成溶液；然后，将0.2g天然石墨粉加入到上述溶液中，搅拌30min形成悬浊液；随后，用100W超声波处理30min上述悬浊液；最后，将超声处理后的混合物静置12h，上清液为0.08mg/mL的石墨烯分散液，取上清液10000rpm离心、洗涤、干燥即可得到4,4'-二羟基联苯二缩水甘油醚非共价改性的石墨烯。由此制备的石墨烯平均横向尺寸约为2.7μm，厚约0.71nm。

实施例2

首先，将2g 3,3'-二甲基-4,4'-二氨基联苯与1000mL吡啶溶剂混合，超声10min形成溶液；然后，将50g天然石墨粉加入到上述溶液中，搅拌30min形成悬浊液；随后，用7500rpm榨汁机高速搅拌处理120min上述悬浊液；最后，将高速搅拌处理后的混合物静置12h，上清液为0.13mg/mL的石墨烯分散液，取上清液抽滤，用热乙醇反复洗涤、干燥即可得到石墨烯。由此制备的石墨烯平均横向尺寸约为1.4μm，厚约1.52nm。

实施例3

首先，将10g 4,4'-二氨基联苯与4000mL乙醇溶剂混合，超声20min形成溶液；然后，将100g天然石墨粉加入到上述溶液中，搅拌30min形成悬浊液；随后，用高速剪切乳化机处理60min上述悬浊液；最后，将剪切处理后的混合物静置2h，未剥离的石墨沉底，上清液为0.09mg/mL的石墨烯分散液，取上清液抽滤(滤液倒出备用)，用热乙醇反复洗涤、干燥即可得到石墨烯。由此制备的石墨烯平均横向尺寸约为500nm，厚约2.2nm。

将上一步骤中未剥离的石墨及抽滤的滤液进一步混合，高速剪切乳化机继续处理60min，抽滤、洗涤、干燥后又可获得石墨烯。

实施例4

首先，将10g 4,4'-双(4-羟基苯甲氧基)-3,3',5,5'-四甲基联苯二缩水甘油醚与4000mLN-甲基甲酰胺溶剂混合，超声20min形成溶液；然后，将50g天然石墨粉加入到上述溶液中，搅拌10min形成悬浊液；随后，用磨盘式混炼机处理100min上述悬浊液；最后，将剪切处理后的混合物静置2h，上清液为0.03mg/mL的石墨烯分散液，取上清液抽滤，用N-甲基甲酰胺反复洗涤、干燥即可得到4,4'-双(4-羟基苯甲氧基)-3,3',5,5'-四甲基联苯二缩水甘油醚非共价改性的石墨烯。由此制备的石墨烯平均横向尺寸约为1μm，厚约2.6nm。

实施例5

首先，将1g 4,4'-双(4-羟基苯甲氧基)-3,3',5,5'-四甲基联苯二缩水甘油醚与1000mLN-甲基吡咯烷酮溶剂混合，超声10min形成溶液；然后，将50g天然石墨粉加入到上述溶液中，搅拌20min形成悬浊液；随后，用罐磨机处理240min上述悬浊液；最后，将剪切处理后的混合物静置12h，上清液为0.07mg/mL的石墨烯分散液，取上清液抽滤，用N-甲基吡咯烷酮反复洗涤、干燥即可得到4,4'-双(4-羟基苯甲氧基)-3,3',5,5'-四甲基联苯二缩水甘油醚非共价改性的石墨烯。由此制备的石墨烯平均横向尺寸约为320nm，厚约1.5nm。

实施例6

首先，将1g聚对苯撑苯并二噁唑与10mL多聚磷酸溶剂混合，搅拌均匀；然后，将50g天然石墨粉加入到上述混合物中，搅拌均匀形成石墨湿料；随后，用球磨机处理240min上述湿料；最后，将剪切处理后的混合物与1000mL N-甲基吡咯烷酮混匀，静置12h，上清液为0.05mg/mL的石墨烯分散液，取上清液抽滤，用乙醇反复洗涤、干燥即可得到聚对苯撑苯并二噁唑非共价改性的石墨烯。由此制备的石墨烯平均横向尺寸约为3μm，厚约0.8nm。

由以上实施例可以看出，本发明提供的制备方法基本不涉及破坏石墨烯化学键的氧化反应，是单纯的物理制备方法，sp2杂化碳原子占石墨烯产品碳含量的95％以上，因此该方法可以得到高品质的石墨烯，可以最大程度地保证石墨烯材料优异的物理性质，尤其是导热性能、导电性能，并且对环境无污染，反应效率高、成本低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

A)将剥离助剂与有机溶剂混合，得到剥离助剂的溶液或分散液，所述剥离助剂选自联苯及其衍生物、偶氮苯及其衍生物、含苯环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂、含芳香杂环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂中的一种或几种；

B)将天然石墨粉加入到所述步骤A)得到的剥离助剂溶液或分散液中，得到吸附有剥离助剂的石墨悬浊液或湿料；

C)将所述步骤B)得到的吸附有剥离助剂的石墨悬浊液或湿料用超声发生器、高速搅拌器或剪切设备中进行处理，得到石墨烯；

所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、环己酮、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、甲苯、苯乙烯、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃、吡啶、多聚磷酸中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述联苯及其衍生物包括4,4'-二氨基联苯、3,3',5,5'-四甲基联苯胺、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基联苯、2,2'-双(三氟甲基)-4,4'-二氨基联苯、4,4-联苯酚、3,3',5,5'-四甲基联苯酚、4 4'-联苯二甲酸、3,3',5,5'-联苯四甲酸中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述偶氮苯及其衍生物包括偶氮苯、4,4’-二羟基偶氮苯、偶氮苯-4,4-二羧酸、4'-羟基偶氮苯-2-羧酸、苏丹红中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含苯环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂包括4,4'-二羟基联苯二缩水甘油醚、3,3',5,5'-四甲基联苯二酚二缩水甘油醚、4,4'-双(4-羟基苯甲氧基)-3,3',5,5'-四甲基联苯二缩水甘油醚、4-(氧基丙基甲氧基)苯甲酸-4,4'-[1,4-丁烷-二基双(氧)]双酚酯、4-((环氧乙烷-2-基氧基)甲氧基)苯基4-((环氧乙烷-2-基氧基)甲氧基)苯甲酸甲酯、1,4-亚苯基双(4-(环氧乙烷-2-基氧基)苯甲酸酯)、(E)-2,2'–(((丙-1-烯-1,2-二基双(4,1-亚苯基))二(氧基))双(亚甲基))二(环氧乙烷)、(1E，1'E)-N，N'-(氧双(4,1-亚苯基))双(1-(4-(环氧乙烷-2-基甲氧基)苯基)甲亚胺)、(1E，1'E)-N,N'-(磺酰基(4,1-亚苯基))二(1-(4-(环氧乙烷-2-基甲氧基)苯基)甲亚胺)、(1E，2E)-1,2-双(1-(4-(环氧乙烷-2-基甲氧基)苯基)亚乙基)肼、4-(4-氧代丙酰基丁氧基)苯甲酸-1,4'-亚苯基酯、1,4-二氨基苯-二(4-羟基-苯甲醛)二缩水甘油醚中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含芳香杂环致晶单元的液晶高分子及其合成树脂包括聚对苯撑苯并二咪唑、聚对苯撑苯并二噻唑、聚对苯撑苯并二噁唑、脲基取代的胞嘧啶封端的聚丙二醇衍生物中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述剥离助剂与所述有机溶剂的用量比为1g:(0.1～10000)mL。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述天然石墨粉与所述步骤A)中与所述剥离助剂溶液的用量比为1g:(10～100000)mL。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C)中超声功率大于40W，高速搅拌速率大于2000rpm；所述步骤C)中超声、高速搅拌或剪切剥离处理的时间为＞10min；

所述超声发生器、高速搅拌和剪切设备包括超声波清洗机、超声波分散机、匀质机、高速剪切机、榨汁机、研磨机、螺杆挤出机、三辊机、球磨机、罐磨机、磨盘式混炼机、圆锥式混炼机中的一种或几种。

9.一种石墨烯，按照权利要求1～8任意一项所述的制备方法制成。