CN108706575B - 一种液相球磨剥离石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液相球磨剥离石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂混合，制得插层剂；将所述插层剂与石墨混合球磨，然后离心，制得石墨层间化合物；将所述石墨层间化合物进行清洗过滤，加入膨胀剂，超声搅拌，制得石墨烯分散液；将所述石墨烯分散液进行清洗过滤、干燥，制得石墨烯粉体。通过本发明可获得高质量、高产率的石墨烯，且节能环保。

Description

一种液相球磨剥离石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种通过液相球磨剥离制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯具有高电子迁移率、超高的热导率、良好的机械性能、显著的室温霍尔效应等优异性能，使得石墨和石墨烯有关的材料可广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、海水淡化、储氢材料、航空航天、复合材料等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值，国内外对石墨烯的研究与应用开发持续升温。研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大批量的石墨烯材料，并通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进，降低石墨烯制备成本使其优异的性能得到更广泛的应用。
近来关于如何制备高质量的石墨烯材料已经取得了一定的进展，但是对于如何实现高产率、高质量石墨烯的大批量制备仍是研究难点。球磨法属于机械剥离法的一种，球磨法制备石墨烯由于生产工艺简单、生产成本低、产率高、质量好等优点受到研究人员的广泛关注。
现有技术公开了一种石墨烯的制备方法，首先采用复合插层剂插层，然后再球磨剪切进行剥离制备石墨烯。该制备技术中，复合插层剂的制备过程使用高沸点的表面活性剂，不利于后续干燥处理进而影响石墨烯的质量；同时，由于先超声插层再进行球磨，使得制备过程较复杂，并且长时间超声作用，不仅影响插层，而且会使得插层剂从层间脱落，不利于石墨烯的剥离，导致制备的石墨烯产率低、质量不高。
现有技术还公开了一种石墨烯的制备方法，该方法同样使用先插层后球磨的方式，并且使用具有强氧化性的酸与其它氧化剂作为插层剂，膨胀剂同样是具有氧化性的物质，该种方式本质上与氧化还原法制备石墨烯没有明显区别，不仅没有降低石墨烯的缺陷程度，而且比氧化还原法制备工艺更加复杂。
根据上述，目前球磨法制备石墨烯主要采用预插层、后球磨处理的制备方案，制备过程中普遍采用表面活性剂、强化剂等影响或破坏石墨烯品质的实验条件，导致制备的石墨烯产率低、质量不高。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种液相球磨剥离石墨烯的制备方法，通过该方法可获得高质量、高产率的石墨烯，且节能环保。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种液相球磨剥离石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
S1：将过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂混合，制得插层剂；
S2：将步骤S1制得的插层剂与石墨混合球磨，然后离心，制得石墨层间化合物；
S3：将步骤S2制得的石墨层间化合物进行清洗过滤，加入膨胀剂，超声搅拌，制得石墨烯分散液；
S4：将步骤S3制得的石墨烯分散液进行清洗过滤、干燥，制得石墨烯粉体。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)利用过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂三者间的协同作用制备插层剂，其中，过渡金属卤盐可以与氮源物质或者有机溶剂形成共晶，其熔点低于每一组分的熔点，甚至混合后的插层剂在室温下即为液态，***石墨形成石墨层间化合物，从而降低了反应温度、制备成本和难度；同时氮源物质与有机溶剂间也可以形成氢键，使得氮源物质与有机溶剂的结合体在石墨烯层间稳定存在，避免制备的石墨烯层间堆积，从而提高了剥离效率与产品质量。
(2)后续的膨胀处理中，在超声作用下，膨胀剂运动到石墨层间，分解产生气体，使得石墨的层间距离再度增大，有利于石墨的进一步剥离，大大提高石墨烯的产率。
(3)插层剂在球磨过程中没有发生化学反应，可以通过离心将插层剂与石墨层间化合物分离，分离后的插层剂可循环使用，节能环保。
进一步地，步骤S1中，所述过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂的质量比为(1～10):1:(2～10)。
进一步地，所述过渡金属卤盐为氯化亚锰、氯化铬、氯化铜、氯化镍、溴化亚铁、溴化铁、氯化铁、六水三氯化铁中的任意一种或几种。过渡金属卤盐作为一种受电子型插层物，插层过程中接受石墨层间的π电子，本身则成为负离子而进入石墨层间。
进一步地，所述氮源物质为尿素、二氰二胺、三聚氰胺中的任意一种或几种。在尿素等氮源的作用下，石墨的边缘会掺杂氮元素，形成吡咯、吡啶等功能基团，使得石墨层的边缘翘起，从而促进插层剂与膨胀剂***层间，实现石墨的层间剥离。
进一步地，所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、1,2-丙二醇、丙三醇、甲酸、乙酸、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸乙酯中的任意一种或几种。添加有机溶剂，在球磨过程中起到缓冲效果从而避免固相球磨对石墨烯结构的破坏，同时可分散与稳定剥离得到的石墨烯，防止石墨烯的重新堆积。
进一步地，步骤S2中，所述插层剂与石墨的质量比为(40～200):1。
进一步地，步骤S2中，球磨过程中使用氧化锆球，所述插层剂与氧化锆球的体积比为(1～3):1，所述插层剂与氧化锆球的总体积占球磨罐体积的25～60％，球磨转速为200～700rpm，球磨时间为2～48h。通过该条件设置，以确保插层剂能够完全没过氧化锆球，使得氧化锆球充分发挥出球间的剪切作用；在充分剪切的同时，液相球磨能够增加球与石墨片层的缓冲作用，降低制得的石墨烯层缺陷，从而获得高产率、大片层的石墨烯材料。
进一步地，步骤S2中，所述石墨为膨胀石墨、可膨胀石墨、天然鳞片石墨、石墨粉中的任意一种或几种。
进一步地，步骤S3中，所述膨胀剂为过氧化氢、硼氢化钠、碳酸氢铵中的任意一种或几种。膨胀剂在层间分解产生气体，破坏石墨层间的范德华力，使得石墨的层间距再度增大，从而剥离出石墨烯。
进一步地，步骤S4中，所述干燥的温度为60～80℃，时间为12～24h。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为实施例1～7的石墨烯分散液和对比单层石墨烯分散液的紫外吸光度。
图2为实施例1的膨胀石墨的扫描电子显微镜图。
图3为实施例1的石墨烯产物的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
本发明针对目前球磨法制备石墨烯过程中存在的缺陷严重、高沸点有机溶剂难以除去的问题，将插层剂改为无强氧化性的过渡金属卤盐和氮源物质以及易于除去的有机溶剂相配合使用，作为环境友好型的插层剂，其在球磨过程中发挥插层作用并实现部分剥离，可免除先插层后球磨的复杂过程，然后简单清洗以除去插层化合物表面的插层剂，过滤后将插层化合物进一步膨胀处理，从而得到高质量、高产率的石墨烯，操作简单，生产成本低，有利于推动石墨烯的量产化。同时避免了强氧化剂对球磨罐的腐蚀作用，从而实现将插层与球磨剥离过程的结合，不仅提高了剥离效率，而且可保持石墨烯晶体结构的完整性，从而拓展石墨烯在储能材料、生物材料等领域的应用。
本发明的液相球磨剥离石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
S1：将过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂混合，制得插层剂；
S2：将步骤S1制得的插层剂与石墨混合球磨，然后离心，制得石墨层间化合物；
S3：将步骤S2制得的石墨层间化合物进行清洗过滤，加入膨胀剂，超声搅拌，制得石墨烯分散液；
S4：将步骤S3制得的石墨烯分散液进行清洗过滤、干燥，制得石墨烯粉体。
具体的，步骤S1中，所述过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂的质量比为(1～10):1:(2～10)。所述过渡金属卤盐为氯化亚锰、氯化铬、氯化铜、氯化镍、溴化亚铁、溴化铁、氯化铁、六水三氯化铁中的任意一种或几种。所述氮源物质为尿素、二氰二胺、三聚氰胺中的任意一种或几种。所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、1,2-丙二醇、丙三醇、甲酸、乙酸、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸乙酯中的任意一种或几种。
步骤S2中，所述插层剂与石墨的质量比为(40～200):1。球磨过程中使用氧化锆球，所述插层剂与氧化锆球的体积比为(1～3):1，所述插层剂与氧化锆球的总体积占球磨罐体积的25～60％，球磨转速为200～700rpm，球磨时间为2～48h。离心过程中的速度为8000～10000rpm。所述石墨为膨胀石墨、可膨胀石墨、天然鳞片石墨、石墨粉中的任意一种或几种。
步骤S3中，所述膨胀剂为过氧化氢、硼氢化钠、碳酸氢铵中的任意一种或几种。搅拌速度为200-600r/min。
步骤S4中，所述干燥过程采用真空烘箱进行干燥处理，温度为60～80℃，时间为12～24h。
以下结合具体实施例进一步说明。
实施例1
在干燥的球磨罐中倒入1g膨胀石墨，然后将10g氯化铁、10g尿素、20g异丙醇混合均匀后倒入球磨罐中，使其没过氧化锆珠；将球磨罐对称固定在行星球磨机上，将转速调制至700rpm，连续球磨48h；球磨后采用10000rpm高速离心将石墨插层化合物与插层剂分离，然后用水将层间化合物简单清洗以除去石墨插层化合物表面的插层剂，过滤后将滤饼置于烧瓶中，倒入50ml 5％的双氧水，水浴超声20min，搅拌2h，使双氧水分解；再过滤，清洗3次，80℃干燥12h，从而得到石墨烯粉体。
将0.06g的所得石墨烯粉体分散于50mg/ml尿素水溶液中，配制成浓度为0.024mg/ml石墨烯分散液。然后温和超声15min，采用紫外可见光谱检测该石墨烯分散液在270nm处的吸光度，将该吸光度与配制的相同浓度的单层石墨烯分散液在270nm处的吸光度进行对比，从而测得石墨烯的浓度，计算石墨烯的产率。
其中，用于对比的单层石墨烯选购于南京先丰纳米材料科技有限公司，石墨烯的型号为XF001W。
实施例2
在干燥的球磨罐中倒入1g 300目的鳞片石墨，然后将5g氯化铜、5g尿素、50g无水乙醇混合均匀后倒入球磨罐中，使其没过氧化锆珠。将球磨罐对称固定在行星球磨机上，将转速调制至500rpm，连续球磨48h；球磨后采用10000rpm高速离心将石墨插层化合物与插层剂分离，然后用水将层间化合物简单清洗以除去石墨插层化合物表面的插层剂，过滤后将滤饼置于烧瓶中，倒入50ml 5％硼氢化钠水溶液，水浴超声20min，然后调节溶液的pH使溶液为酸性，搅拌2h，促使硼氢化钠分解；再过滤，清洗3次，60℃干燥24h，从而得到石墨烯粉体。
将0.06g的所得石墨烯粉体分散于50mg/ml尿素水溶液中，配制成浓度为0.024mg/ml石墨烯分散液。然后温和超声15min，采用紫外可见光谱检测该石墨烯分散液在270nm处的吸光度，将该吸光度与配制的相同浓度的单层石墨烯分散液在270nm处的吸光度进行对比，从而测得石墨烯的浓度，计算石墨烯的产率。
其中，用于对比的单层石墨烯选购于南京先丰纳米材料科技有限公司，石墨烯的型号为XF001W。
实施例3
在干燥的球磨罐中倒入1g石墨粉，然后将50g六水三氯化铁、5g尿素、10g乙二醇混合均匀后倒入球磨罐中，使其没过氧化锆珠；将球磨罐对称固定在行星球磨机上，将转速调制至400rpm，连续球磨48h；球磨后采用10000rpm高速离心将石墨插层化合物与插层剂分离，然后用水将层间化合物简单清洗以除去石墨插层化合物表面的插层剂；过滤后将滤饼置于烧瓶中，倒入50ml 5％的双氧水，水浴超声20min，搅拌2h，使双氧水分解；再过滤，清洗3次，80℃干燥12h，从而得到石墨烯粉体。
将0.06g的所得石墨烯粉体分散于50mg/ml尿素水溶液中，配制成浓度为0.024mg/ml石墨烯分散液。然后温和超声15min，采用紫外可见光谱检测该石墨烯分散液在270nm处的吸光度，将该吸光度与配制的相同浓度的单层石墨烯分散液在270nm处的吸光度进行对比，从而测得石墨烯的浓度，计算石墨烯的产率。
其中，用于对比的单层石墨烯选购于南京先丰纳米材料科技有限公司，石墨烯的型号为XF001W。
实施例4
在干燥的球磨罐中倒入1g石墨粉，然后将20g氯化铬、5g三聚氰胺、20g乙二醇、10g甘油混合均匀后倒入球磨罐中，使其没过氧化锆珠；将球磨罐对称固定在行星球磨机上，将转速调制至600rpm，连续球磨48h；球磨后采用10000rpm高速离心将石墨插层化合物与插层剂分离，然后用热水将层间化合物简单清洗以除去石墨插层化合物表面的插层剂；过滤后将滤饼置于烧瓶中，倒入50ml 5％的碳酸氢铵，75℃水浴超声20min，搅拌2h；再过滤，清洗3次，80℃干燥12h，从而得到石墨烯粉体。
将0.06g的所得石墨烯粉体分散于50mg/ml尿素水溶液中，配制成浓度为0.024mg/ml石墨烯分散液。然后温和超声15min，采用紫外可见光谱检测该石墨烯分散液在270nm处的吸光度，将该吸光度与配制的相同浓度的单层石墨烯分散液在270nm处的吸光度进行对比，从而测得石墨烯的浓度，计算石墨烯的产率。
其中，用于对比的单层石墨烯选购于南京先丰纳米材料科技有限公司，石墨烯的型号为XF001W。
实施例5
在干燥的球磨罐中倒入1g可膨胀石墨，然后将25g氯化镍、5g二氰二胺、50g乙酸甲酯混合均匀后倒入球磨罐中，使其没过氧化锆珠；将球磨罐对称固定在行星球磨机上，将转速调制至400rpm，连续球磨48h；球磨后采用10000rpm高速离心将石墨插层化合物与插层剂分离，然后用热水将层间化合物简单清洗以除去石墨插层化合物表面的插层剂；倒入50ml5％硼氢化钠水溶液，水浴超声20min，然后调节溶液的pH使溶液为酸性，搅拌2h，促使硼氢化钠分解；再过滤，清洗3次，80℃干燥12h，从而得到石墨烯粉体。
将0.06g的所得石墨烯粉体分散于50mg/ml尿素水溶液中，配制成浓度为0.024mg/ml石墨烯分散液。然后温和超声15min，采用紫外可见光谱检测该石墨烯分散液在270nm处的吸光度，将该吸光度与配制的相同浓度的单层石墨烯分散液在270nm处的吸光度进行对比，从而测得石墨烯的浓度，计算石墨烯的产率。
其中，用于对比的单层石墨烯选购于南京先丰纳米材料科技有限公司，石墨烯的型号为XF001W。
实施例6
在干燥的球磨罐中倒入1g膨胀石墨，然后将10g溴化亚铁、10g尿素、50g乙酸乙酯混合均匀后倒入球磨罐中，使其没过氧化锆珠；将球磨罐对称固定在行星球磨机上，将转速调制至500rpm，连续球磨48h；球磨后采用10000rpm高速离心将石墨插层化合物与插层剂分离，然后用乙醇将层间化合物简单清洗以除去石墨插层化合物表面的插层剂，过滤后将滤饼置于烧瓶中，倒入50ml 5％的碳酸氢铵，75℃水浴超声20min，搅拌2h；再过滤，清洗3次，60℃干燥24h，从而得到石墨烯粉体。
将0.06g的所得石墨烯粉体分散于50mg/ml尿素水溶液中，配制成浓度为0.024mg/ml石墨烯分散液。然后温和超声15min，采用紫外可见光谱检测该石墨烯分散液在270nm处的吸光度，将该吸光度与配制的相同浓度的单层石墨烯分散液在270nm处的吸光度进行对比，从而测得石墨烯的浓度，计算石墨烯的产率。
其中，用于对比的单层石墨烯选购于南京先丰纳米材料科技有限公司，石墨烯的型号为XF001W。
实施例7
在干燥的球磨罐中倒入1g 300目鳞片石墨，然后将25g氯化铁、25g氯化镍、5g尿素、50g乙醇混合均匀后倒入球磨罐中，使其没过氧化锆珠；将球磨罐对称固定在行星球磨机上，将转速调制至600rpm，连续球磨48h；球磨后采用10000rpm高速离心将石墨插层化合物与插层剂分离，然后用水将层间化合物简单清洗以除去石墨插层化合物表面的插层剂；过滤后将滤饼置于烧瓶中，倒入50ml 5％的双氧水的烧瓶中，水浴超声20min，搅拌2h，使双氧水分解；再过滤，清洗3次，80℃干燥12h，从而得到石墨烯粉体。
将0.06g的所得石墨烯粉体分散于50mg/ml尿素水溶液中，配制成浓度为0.024mg/ml石墨烯分散液。然后温和超声15min，采用紫外可见光谱检测该石墨烯分散液在270nm处的吸光度，将该吸光度与配制的相同浓度的单层石墨烯分散液在270nm处的吸光度进行对比，从而测得石墨烯的浓度，计算石墨烯的产率。
其中，用于对比的单层石墨烯选购于南京先丰纳米材料科技有限公司，石墨烯的型号为XF001W。
对实施例1～7的石墨烯分散液和用于对比的单层石墨烯分散液的吸光度进行检测，结果如图1所示。对实施例1～7的石墨烯产率进行计算，结果列于下表1。
表1实施例1～7的试剂种类和石墨烯产率汇总表
结合图1可以得到，不同实施例最终的球磨石墨烯产率各有不同，其中，实施例3获得的产率最高，这归因于六水三氯化铁、尿素、乙二醇三者良好的协同作用。
此外，对实施例1中的膨胀石墨与石墨烯产物的形貌进行测试，得到扫描电子显微镜图(SEM)，如图2和图3所示，在相同放大倍数(10K倍)下，膨胀石墨(如图2所示)表面光滑，呈现出大小不规则的片层结构；而球磨得到的石墨烯(如图3所示)具有柔性，褶皱明显，一些石墨烯层彼此折叠堆积。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)利用过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂三者间的协同作用制备插层剂，其中，过渡金属卤盐可以与氮源物质或者有机溶剂形成共晶，其熔点低于每一组分的熔点，甚至混合后的插层剂在室温下即为液态，***石墨形成石墨层间化合物，从而降低了反应温度、制备成本和难度；同时氮源物质与有机溶剂间也可以形成氢键，使得氮源物质与有机溶剂的结合体在石墨烯层间稳定存在，避免制备的石墨烯层间堆积，从而提高了剥离效率与产品质量。
(2)后续的膨胀处理中，在超声作用下，膨胀剂运动到石墨层间，分解产生气体，使得石墨的层间距离再度增大，有利于石墨的进一步剥离，大大提高石墨烯的产率。
(3)插层剂在球磨过程中没有发生化学反应，可以通过离心将插层剂与石墨层间化合物分离，分离后的插层剂可循环使用，节能环保。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种液相球磨剥离石墨烯的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂混合，制得插层剂；
S2：将步骤S1制得的插层剂与石墨混合球磨，然后离心，制得石墨层间化合物；
S3：将步骤S2制得的石墨层间化合物进行清洗过滤，加入膨胀剂，超声搅拌，制得石墨烯分散液；
S4：将步骤S3制得的石墨烯分散液进行清洗过滤、干燥，制得石墨烯粉体，
其中，所述过渡金属卤盐为氯化亚锰、氯化铬、氯化铜、氯化镍、溴化亚铁、溴化铁、氯化铁、六水三氯化铁中的任意一种或几种；所述氮源物质为尿素、二氰二胺、三聚氰胺中的任意一种或几种；所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、1,2-丙二醇、丙三醇、甲酸、乙酸、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸乙酯中的任意一种或几种。
2.根据权利要求1所述的液相球磨剥离石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述过渡金属卤盐、氮源物质和有机溶剂的质量比为(1～10):1:(2～10)。
3.根据权利要求1所述的液相球磨剥离石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述插层剂与石墨的质量比为(40～200):1。
4.根据权利要求3所述的液相球磨剥离石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤S2中，球磨过程中使用氧化锆球，所述插层剂与氧化锆球的体积比为(1～3):1，所述插层剂与氧化锆球的总体积占球磨罐体积的25～60％，球磨转速为200～700rpm，球磨时间为2～48h。
5.根据权利要求1所述的液相球磨剥离石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述石墨为膨胀石墨、可膨胀石墨、天然鳞片石墨、石墨粉中的任意一种或几种。
6.根据权利要求1所述的液相球磨剥离石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述膨胀剂为过氧化氢、硼氢化钠、碳酸氢铵中的任意一种或几种。
7.根据权利要求1所述的液相球磨剥离石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述干燥的温度为60～80℃，时间为12～24h。
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