CN108190875A - 一种制备高质量大尺寸石墨烯的方法 - Google Patents

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张瑞军
刘孟杰
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Abstract

一种制备高质量大尺寸石墨烯的方法，其包括以下步骤：1)将原始石墨与KOH按质量比为1：5‑15的比例混匀研磨；2)将研磨后的粉末置于管式炉内，升温至800℃后保温60分钟，冷却至室温，得到KOH蚀刻石墨；3)每5ml浓度为30％的H2O2溶液中加入1g蚀刻石墨并超声分散4‑10min，然后微波照射30‑120s，获得石墨烯聚集体；4)将所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，制得高质量石墨烯。本发明操作简单、成本低，且无需使用强氧化剂和强酸，可大大减少对环境和设备的污染和破坏；所制得的石墨烯外观平整，最大尺寸能达到150μm2，最高导电率可达2×105S/m。

Description

一种制备高质量大尺寸石墨烯的方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状薄膜，是一种单层石墨层的二维材料。但在石墨烯被发现之前，当时的大多数物理学家认为：热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在，直到单层石墨烯在实验室被制备出来。石墨烯材料在宏观上呈现出页岩般的“叠层状”；微观上，晶胞原子在三维空间内平面排列成层状，层内原子间以共价键结合，而在层与层之间的原子则以范德华力相互作用，因此层内原子间的键合作用远远大于层与层之间原子的相互作用，从而使其较其他维度的化合物(0维的富勒烯、1维的碳纳米管、3维的石墨)有独特的晶体结构和特异的光、电、声、力学性能，由于上述特性，石墨烯的应用前景很广，从单电子晶体管、两极性晶体管、柔性晶体管、锂离子电极材料、超级电容电极材料、太阳能电池窗口电极到输电线路以及太空电梯都有应用，在不久的将来，石墨烯将会在催化、电子、能源等众多领域得到商业化的应用。而且科学家发现石墨烯具有异常量子霍尔效应等特殊的物理效应和性能，被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业的再次革命。
自从英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和克斯特亚·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)用一种非常简单的机械分离方法得到的少层石墨烯并获得了2010年的诺贝尔物理学奖以后，各种各样的制备石墨烯的方法层出不穷，一般来说，制备石墨烯的方法有：机械剥离法、氧化-还原法、液相剥离法、电化学法等，在上述方法中微机械剥离的方法是通过机械手段利用光刻胶反复剥离石墨得到石墨烯的方法，该方法简单，但费时费力，重复性差，难以精确控制；目前最常用的方法是氧化还原方法，其基本原理是通过强强质子酸处理石墨,形成石墨层间化合物,然后用强氧化剂氧化，形成氧化石墨烯，再在还原步骤加入还原剂还原氧化石墨烯得到石墨烯，但这种方法在制备石墨烯的过程中使用了强氧化剂和强酸，对设备有很大的损害，而且在还原步骤中使用的还原剂有毒，对操作人员和环境都会产生很大的危害，所得的石墨烯褶皱比较多质量比较低；还有一种常用的方法是液相剥离法，该方法使用表面活性剂作在超声手段的辅助下对石墨进行剥离，但这种方法超声需要超很长时间、产率比较低。后期对于石墨烯上的表面活性剂的清洗也是比较繁琐且需要大量的水，对于当下水资源比较匮乏的大环境来说无疑是雪上加霜。此外液相剥离所得的石墨烯的尺寸也是比较小(一般≤5μm)。
因此石墨烯的非酸制备是一种迫切的待研发的绿色技术，也成为国内外研究石墨烯制备的一大热点。
发明内容
本发明的目的是为了针对上述技术上在的不足，提供了一种制备高质量大尺寸石墨烯的方法。
本发明的具体步骤如下：
(1)按原始石墨与KOH的质量的比为1：5-15的比例，将原始石墨与KOH充分混匀研磨；所述原始石墨为50-500目的天然鳞片石墨；
(2)将步骤(1)研磨的粉末放入坩埚中并置于管式炉内，以15℃/min的升温速率，在氩气环境中升温至800℃后保温60分钟，然后冷却至室温，得到KOH蚀刻石墨；
(3)每5mL浓度为30％的H2O2溶液中加入步骤(2)所得的蚀刻石墨1g并超声分散4-10min，然后对超声分散完的蚀刻石墨进行微波照射30-120s，微波照射的功率为500w，获得石墨烯聚集体；
(4)将步骤(3)所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，制得最大尺寸能到达150μm2，导电率最高可达2×105S/m的高质量大尺寸石墨烯。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、直接用KOH对原始石墨进行蚀刻，之后再采用H2O2进行插层剥离，操作简单、省时省力、节约成本。
2、相比于传统方法，本发明不使用强氧化剂和强酸，从而大大减少了对环境和设备的污染和破坏；也不使用还原剂，从而避免了有毒的还原剂对操作人员的伤害。
3、所制得的石墨烯外观平整，最大尺寸能达到150μm2；最高导电率可达2×105S/m，为迄今所获石墨烯导电率的最高值之一；制备出的石墨烯在超级电容器、锂离子电池、导电填充材料等方面具有应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的石墨烯扫描电镜图。
图2为本发明实施例1制备的石墨烯透射电镜图。
具体实施方式
实施例1
将1g 50目的原始石墨和10gKOH充分混匀研磨；将研磨后的粉末放入坩埚中并置于管式炉内，以15℃/min的升温速率在氩气环境中升温至800℃后保温60分钟，然后再冷却至室温，获得KOH蚀刻石墨；向1g蚀刻石墨中加入5mL浓度为30％的H2O2溶液并超声分散5min之后，再对超声分散完的蚀刻石墨进行微波照射90s，微波照射的功率为500w，获得石墨烯聚集体；将所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，制得尺寸为150μm2、导电率高达2×105S/m的的高质量石墨烯。
如图1所示，通过由石墨到石墨烯的高度转化，所得石墨烯的最大尺寸能达到150μm2而且比较透明。
如图2所示，进一步说明所得的石墨烯比较透明，比较薄。
实施例2
将1g100目原始石墨的原始石墨和5gKOH充分混匀研磨；将研磨后的粉末放入坩埚中并置于管式炉内，以15℃/min的升温速率在氩气环境中升温至800℃后保温60分钟，然后再冷却至室温，获得KOH蚀刻石墨；向1g蚀刻石墨中加入5mL浓度为30％的H2O2溶液并超声分散4min之后，再对超声分散完的蚀刻石墨进行微波照射60s，微波照射的功率为500w，获得石墨烯聚集体；将所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，制得尺寸为120μm2、导电率高达1.9×105S/m的的高质量石墨烯。
实施例3
将1g300目的原始石墨和7gKOH充分混匀研磨；将研磨后的粉末放入坩埚中并置于管式炉内，以15℃/min的升温速率在氩气环境中升温至800℃后保温60分钟，然后再冷却至室温，获得KOH蚀刻石墨；向1g蚀刻石墨中加入5mL浓度为30％的H2O2溶液并超声分散8min之后，再对超声分散完的蚀刻石墨进行微波照射30s，微波照射的功率为500w，获得石墨烯聚集体；将所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，制得尺寸为90μm2、导电率最高达1.8×105S/m的的高质量石墨烯。
实施例4
将1g50目的原始石墨和12gKOH充分混匀研磨；将研磨后的粉末放入坩埚中并置于管式炉内，以15℃/min的升温速率在氩气环境中升温至800℃后保温60分钟，然后再冷却至室温，获得KOH蚀刻石墨；向1g蚀刻石墨中加入5mL浓度为30％的H2O2溶液并超声分散10min之后，再对超声分散完的蚀刻石墨进行微波照射120s，微波照射的功率为500w，获得石墨烯聚集体；将所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，制得尺寸为130μm2、导电率高达2×105S/m的的高质量石墨烯。
实施例5
将1g500目的原始石墨和15g的KOH充分混匀研磨；将研磨后的粉末放入坩埚中并置于管式炉内，以15℃/min的升温速率在氩气环境中升温至800℃后保温60分钟，然后再冷却至室温，获得KOH蚀刻石墨；向1g蚀刻石墨中加入5mL浓度为30％的H2O2溶液并超声分散6min之后，再对超声分散完的蚀刻石墨进行微波照射90s，微波照射的功率为500w，获得石墨烯聚集体；将所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，制得尺寸为80μm2、导电率高达1.8×105S/m的的高质量石墨烯。

Claims (4)

1.一种制备高质量大尺寸石墨烯的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)按原始石墨与KOH的质量比为1：5-15的比例，将原始石墨与KOH充分混匀研磨；
(2)将步骤(1)研磨后的粉末放入坩埚中并置于管式炉内，在氩气环境中升温至800℃后保温60分钟，然后冷却至室温，得到KOH蚀刻石墨；
(3)每5ml浓度为30％的H2O2溶液中加入步骤(2)所得的蚀刻石墨1g并超声分散4-10min，然后对超声分散完的蚀刻石墨进行微波照射30-120s，获得石墨烯聚集体；
(4)将步骤(3)所获石墨烯聚集体在纯度为99％的酒精中超声分散，然后干燥，最后制得最大尺寸能到达150μm2的高质量石墨烯。
2.根据权利要求1所述的制备高质量大尺寸石墨烯的方法，其特征在于：所述原始石墨为50-500目的天然鳞片石墨。
3.根据权利要求1所述的制备高质量大尺寸石墨烯的方法，其特征在于：管式炉内的升温速率为15℃/min。
4.根据权利要求1所述的制备高质量大尺寸石墨烯的方法，其特征在于：所述的微波照射的功率为500w。
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