CN107601479A - 一种石墨烯的制备方法及该方法制备的石墨烯 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨烯的制备方法及该方法制备的石墨烯，属于石墨烯技术领域。石墨烯的制备方法，将无水乙醇、分散剂和石墨粉依次加入容器中进行真空机械分散。其中：无水乙醇、分散剂和石墨粉的质量比依次为(5‑50)：1：(2.5‑10)。此制备方法制备的石墨烯的厚度可控，含氧量低，导电率高，制备方法简单，有利于大规模的生产。

Description

一种石墨烯的制备方法及该方法制备的石墨烯

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，具体而言，涉及一种石墨烯的制备方法及该方法制备的石墨烯。

背景技术

石墨烯是单原子层的二维晶体材料也是结构最为简单的碳材料。常见的石墨材料可以看作由石墨烯层层堆叠而成，因此石墨烯也被视作“单层石墨”。被誉为“21世纪神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最坚硬、室温下导电性最好而且拥有强大灵活性的纳米材料：它可以薄到只有一个碳原子的厚度，1毫米厚的石墨中能剥离出300万层石墨烯；它很硬，其强度比钢还要高200MPa；在室温下，电阻率最低的金属是银，而石墨烯的电阻率比银还小；它透明而不透气的特性使石墨烯未来在触摸屏、传感器、蓄电池等诸多领域的应用充满想象。目前，石墨烯原材料石墨的市场售价约为3000元/吨，而提炼成石墨烯后，石墨烯的市场售价高达100万/吨。

现有技术的石墨烯的厚度不可控，含氧量高，制备方法复杂，不利于大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯的制备方法，方法简单，利于操作，制备的石墨烯厚度可控，含氧量低，导电率高。

本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的石墨烯，厚度可控，含氧量低，导电率高。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种石墨烯的制备方法，将无水乙醇、分散剂和石墨粉依次加入容器中进行真空机械分散。

其中：无水乙醇、分散剂和石墨粉的质量比依次为(5-50)：1：(2.5-10)。

一种石墨烯，由上述石墨烯的制备方法制备而成。

本发明的较佳实施例提供的石墨烯的制备方法的有益效果是：先加入无水乙醇，再加入分散剂，无水乙醇作为溶剂，使分散剂溶于无水乙醇中，在加入石墨粉的时候，石墨粉的表面附着有分散剂，使石墨粉均匀分散在无水乙醇溶剂中，再进行真空机械分散，真空机械分散的过程中，分散剂分子嵌入到石墨的层结构间隙中，与真空机械分散的协同作用，可以提高石墨片层的剥离效率，分散效果好，得到石墨烯。另外，由于是在低氧的真空条件下进行机械分数，所得石墨烯含氧量低、导电性能好。而由于无水乙醇既作为溶剂又作为散热剂，可以使得在高速球墨过程中产生的热量得到有效散发，从而减小石墨烯的热变形。同时，分散剂的作用避免石墨烯发生聚集，获得了高度均匀、分散性极好的石墨烯悬浊液，放置后不会分层，有利于其实际应用和复合其它材料。

本发明提供的石墨烯的有益效果为：上述方法制备的石墨烯的厚度可控，含氧量低，导电率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例1提供的石墨烯的扫描电镜分析图片；

图2为本发明实施例1提供的石墨烯的原子力显微镜分析图片；

图3为本发明实施例1提供的石墨烯的XPS分析图片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的石墨烯的制备方法及该方法制备的石墨烯进行具体说明。

石墨烯的制备方法包括如下步骤：

第一步：将无水乙醇、分散剂和石墨粉依次加入容器中进行真空机械分散。先加入无水乙醇，再加入分散剂，无水乙醇作为溶剂，使分散剂溶于无水乙醇中，在加入石墨粉的时候，石墨粉的表面附着有分散剂，使石墨粉均匀分散在无水乙醇溶剂中，再进行真空机械分散，真空机械分散的过程中，分散剂分子嵌入到石墨的层结构间隙中，与真空机械分散的协同作用，可以提高石墨片层的剥离效率，分散效果好，得到石墨烯。另外由于是在低氧的真空条件下进行机械分数，所得石墨烯含氧量低、导电性能好。而由于无水乙醇既作为溶剂又作为散热剂，可以使得在高速球墨过程中产生的热量得到有效散发，从而减小石墨烯的热变形。同时，分散剂的作用避免石墨烯发生聚集，获得了高度均匀、分散性极好的石墨烯悬浊液，放置后不会分层，有利于其实际应用和复合其它材料。

无水乙醇、分散剂和石墨粉的质量比依次为(5-50)：1：(2.5-10)。分散剂对石墨粉的剥离效果较好，同时，分散剂的量不会过大，方便分散剂与制备好的石墨烯进行分离，得到纯净的石墨烯。

优选地，石墨粉的粒径为100目到500目，该粒径的石墨粉成本低，降低石墨烯的制备成本。

本发明中，分散剂选自胆酸钠或N-甲基吡咯烷酮。

其中：胆酸钠是离子型表面活性剂，是一种双亲分子，既可以吸附在石墨表面，同时也溶于无水乙醇，起到防止石墨烯团聚的作用；并且胆酸钠没有固定的临界胶束浓度，在制备石墨烯的过程中能够起到充分的作用，提高石墨烯的制备效率。胆酸钠除了起到表面活性剂的功能以外，机械分散中由于其均匀的存在于溶液中，胆酸钠分子可以嵌入到石墨的片层结构间隙中，在与机械分散的机械力的协同作用下可以大大提高对石墨片层的剥离效率，从而可以得到一种性质均一的少层石墨烯结构，也提高了机械分散的效率，获得了高度均匀、分散性极好的石墨烯悬浊液。

N-甲基吡咯烷酮为胺基化合物，其为一种有机化合物，在机械分散的过程中分解成小分子物质，能够更加容易嵌入到石墨分子的间隙中，从而加速石墨片层的剥离，得到厚度可控的石墨烯。

优选地，机械分散包括如下步骤：

1、将无水乙醇、分散剂和石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌，进一步使无水乙醇、分散剂和石墨粉混合均匀，使分散剂在后续的石墨烯制备中能够取到更好的效果。

具体地，在室温(20℃-30℃)的条件下搅拌5min-10min，使三种物质能够很好的混合。

2、将搅拌后的的无水乙醇、分散剂和石墨粉使用超声仪进行超声处理，超声处理可以加速溶液中分子的运动，使其混合更加均匀，同时，由于超声的作用，溶液的温度升高，使分子运动更加明显，有利于石墨片层的剥离。

具体地，在超声功率为200w-500w的条件下进行超声处理5min-10min。与搅拌混合相比，超声处理可以使各种物质分子与分子之间混合均匀，使后续过程中分散剂的作用发挥到最大，石墨烯的制备效率成倍增加。

3、将超声处理后的混合溶液倒入球磨罐中进行真空球磨，通过真空球磨的剪切力，使与石墨粉混合均匀的分散剂不断嵌入石墨的层结构间隙中，对石墨片层进行剥离，制备出厚度可控，含氧量低，导电率高的石墨烯。

具体地，球磨在真空度为10Pa-50Pa、转速为300r/min-500r/min的条件下进行7h-20h。长时间的球磨使得到的石墨烯的厚度更加均匀，石墨烯的纯度和产量都更高，同时在真空湿法下进行操作，保证了石墨烯的低含氧量、高导电性和低变形程度。

本发明中，为了使石墨烯的厚度更小，石墨烯的含氧量更低，导电率更高，还包括第二步：对球磨后的溶液进行纳米化处理。

纳米化处理使用高压均质机、超声波乳化机或高压细胞破碎仪。其高速运转对含有石墨烯的溶液施加很大的剪切力，对石墨片层进行剥离，得到的石墨烯的厚度更小，使用价值更高。

优选地，纳米化处理的时间为10min-20min。

第三步：使用无水乙醇清洗石墨烯溶液，再将其在冷冻干燥机中进行干燥，得到纯净的石墨烯产品。

本发明上述石墨烯的制备方法制得的石墨烯，其厚度为3-4nm，含氧量为4at.％左右，石墨烯的厚度可控，含氧量低，导电率高，有利于实际应用和复合其它材料。

实施例1

将5g无水乙醇、1g分散剂和2.5g石墨粉依次加入容器中进行真空机械分散得到石墨烯。

将实施例1得到的石墨烯溶液使用无水乙醇洗净，再将其在冷冻干燥机中干燥，得到纯净干燥的石墨烯。将干燥的石墨烯使用扫描电镜分析，得到图1，从图1可以清晰地观察到石墨烯的形貌，石墨烯的厚度为3-4nm，其厚度均匀可控。将干燥的石墨烯使用原子力显微镜分析，得到图2，从图2可以看出：石墨烯的层数为4层。将干燥的石墨烯使用X射线光电子能谱仪分析，得到图3，从图3可以看出：石墨烯的含氧量较低，使石墨烯的导电率高，扩大石墨烯的使用范围。

实施例2

将50g无水乙醇、1g胆酸钠和10g石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌5min，再在超声功率为200w的超声仪中超声处理10min，后倒入真空度为50Pa、转速为300r/min的球磨罐中真空球磨20h得到石墨烯。

实施例3

将10g无水乙醇、1g胆酸钠和5g石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌10min，再在超声功率为500w的超声仪中超声处理5min，后倒入真空度为10Pa、转速为500r/min的球磨罐中真空球磨7h，再进行纳米化处理得到石墨烯。

实施例4

将40g无水乙醇、1g胆酸钠和8g石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌8min，再在超声功率为400w的超声仪中超声处理7min，后倒入真空度为20Pa、转速为400r/min的球磨罐中真空球磨10h，再使用高压均质机进行纳米化处理10min得到石墨烯。

实施例5

将40g无水乙醇、1g胆酸钠和8g石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌8min，再在超声功率为400w的超声仪中超声处理7min，后倒入真空度为40Pa、转速为400r/min的球磨罐中真空球磨10h，再使用超声波乳化机进行纳米化处理20min得到石墨烯。

实施例6

将40g无水乙醇、1g胆酸钠和8g石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌8min，再在超声功率为400w的超声仪中超声处理7min，后倒入真空度为50Pa、转速为400r/min的球磨罐中真空球磨10h，再使用高压细胞破碎仪进行纳米化处理15min得到石墨烯。

对比例1

将40g无水乙醇和8g石墨粉依次加入容器中进行机械分散得到石墨烯。

将实施例1-6和对比例1得到的石墨烯溶液使用无水乙醇洗净，再将其在冷冻干燥机中干燥，得到纯净干燥的石墨烯。

将实施例1-6和对比例1的石墨烯分别使用扫描电镜扫描3张图片，测定其厚度；将实施例1-6和对比例1的石墨烯分别使用X射线光电子能谱仪得到其含氧量，分析如表1。

表1

从表1中可以看出，与对比例1制备的石墨烯的厚度相比较，实施例1-6制备的石墨烯的厚度比较均匀，同时，厚度可控，可根据不同的需求控制石墨烯的厚度，有利于石墨烯的实际运用，同时，能够生产出较薄的石墨烯，运用更加广泛。从表1中可以看出，与对比例1制备的石墨烯的含氧量相比较，实施例1-6制备的石墨烯的含氧量均较低，使得到的石墨烯的导电率较高，利于石墨烯的应用。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，将无水乙醇、分散剂和石墨粉依次加入容器中进行真空机械分散；

其中：所述无水乙醇、所述分散剂和所述石墨粉的质量比依次为(5-50)：1：(2.5-10)。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为胆酸钠或N-甲基吡咯烷酮。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述无水乙醇、所述分散剂和所述石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌，再倒入球磨罐中进行真空球磨。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将所述无水乙醇、所述分散剂和所述石墨粉依次加入搅拌罐中搅拌以后，在超声仪中进行超声处理后倒入球磨罐中进行真空球磨得到。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述超声处理在超声功率为200w-500w的条件下进行5min-10min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述球磨在真空度为10Pa-50Pa、转速为300r/min-500r/min的条件下进行7h-20h。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空球磨以后，还包括进行纳米化处理的步骤。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纳米化处理使用高压均质机、超声波乳化机或高压细胞破碎仪。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纳米化处理的时间为10min-20min。

10.一种石墨烯，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的石墨烯的制备方法制备而成。