石墨烯及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯及其制備方法，該制備方法包括如下步驟：以石墨棒為正極，鉑棒為負(fù)極，接入外接電源中；將所述正極和所述負(fù)極插入電解質(zhì)溶液中，施加0.8V~1.5V的電壓，保持1~5分鐘后停止，再施加10V~15V的電壓并保持4~15分鐘，之后將所述電解液溶液過濾并烘干；再將烘干后得到的固體產(chǎn)物置于惰性氣體氛圍下，用頻率為4×1014HZ~7.5×1014HZ的激光進(jìn)行照射，即得到所述石墨烯。本發(fā)明利用電化學(xué)插層法和激光剝離法使石墨高效地轉(zhuǎn)化為石墨烯，使所制備的石墨烯具有極高的比表面積，提高了石墨烯的儲(chǔ)能性等；且制備過程中所需的設(shè)備和工藝都很簡(jiǎn)單、便于操作，而且原料廉價(jià)、成本低，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】石墨烯及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種二維單分子層材料，具有優(yōu)異的物理性質(zhì)，如較高的理論比表面積、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、良好的柔韌性和較高的電導(dǎo)率等，因此受到研究者的廣泛關(guān)注。目前制備石墨烯的方法主要有機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、氧化還原法和化學(xué)氣相沉積法，而利用機(jī)械剝離法和外延生長(zhǎng)法制備石墨烯的量較低，且厚度不均勻；氧化還原法主要分為氧化熱還原和氧化化學(xué)還原，氧化熱還原法制備石墨烯往往要求較高的溫度，耗能比較大，而化學(xué)還原法制備石墨烯往往采用肼等化學(xué)試劑，這些試劑具有一定毒性，對(duì)人體和環(huán)境具有危害；用化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求較高。
[0003]石墨烯的理論比表面積較高，能達(dá)到2630m2/g，但實(shí)際上比表面積較低，基本都在500m2/g以下，這就限制了石墨烯的很多性能，如儲(chǔ)能性能等。因此以石墨為原料，高效且綠色環(huán)保制備出高比表面積的石墨烯是目前一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向，也是石墨烯能夠大量工業(yè)化應(yīng)用的前提條件。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，提供一種石墨烯及其制備方法，依次利用電化學(xué)插層法和激光還原法制備石墨烯。
[0005]本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問題而提出的技術(shù)方案為:一種石墨烯的制備方法，以石墨棒為正極，鉬棒為負(fù)極，接入外接電源中；將所述正極和所述負(fù)極插入電解質(zhì)溶液中，施加
0.8疒1.5V的電壓，保持I飛分鐘后停止，再施加10疒15V的電壓并保持4~15分鐘，之后將所述電解液溶液過濾并烘干；再將烘干后得到的固體產(chǎn)物置于惰性氣體氛圍下，用頻率為4 X IO14HZ~7.5 X IO14HZ的激光進(jìn)行照射，即得到所述石墨烯。
[0006]所述石墨棒的石墨純度99.5%。
[0007]所述電解質(zhì)溶液由去離子水和離子液體組成，去離子水和所述離子液體的質(zhì)量比為 1:0.5~2。
[0008]所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽或1- 丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽。
[0009]所述激光照射時(shí)的移動(dòng)速率為0.lcm/S^0.5cm/s。
[0010]所述惰性氣體的流速為20(T400ml/min。
[0011]本發(fā)明還包括利用上述制備方法制得的石墨烯。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的石墨烯及其制備方法，存在以下的優(yōu)點(diǎn):
[0013]利用電化學(xué)插層法和激光剝離法使石墨高效地轉(zhuǎn)化為石墨烯，使所制備的石墨烯具有極高的比表面積，提高了石墨烯的儲(chǔ)能性等；且制備過程中所需的設(shè)備和工藝都很簡(jiǎn)單、便于操作，而且原料廉價(jià)、成本低，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的石墨烯的等溫吸附-脫附曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步地詳盡闡述。
[0016]本發(fā)明的石墨烯的制備過程大致分為以下步驟:
[0017]1、取純度99.5%的石墨做成石墨棒，以該石墨棒作為正極，鉬棒作為負(fù)極，分別接入外接電源的兩極中，以便在后續(xù)步驟中對(duì)正負(fù)極施加外接電壓；
[0018]2、再將正極石墨棒和負(fù)極鉬棒插入電解質(zhì)溶液中，在正負(fù)極間施加0.8V^1.5V的小電壓，保持I飛分鐘后停止，再在正負(fù)極間施加10疒15V的大電壓并保持4~15分鐘停止，之后將電解液溶液過濾并烘干；
[0019]此步驟目的在于:利用化學(xué)插層法的原理，先施加小電壓以輕度插層石墨，(相當(dāng)于氧化石墨反應(yīng)中的低溫反應(yīng))，再施加大電壓重度插層石墨(相當(dāng)于氧化石墨反應(yīng)中的高溫反應(yīng))，兩種不同電壓先后使用以達(dá)到良好的插層效果。
[0020]3、將烘干后得到的固體產(chǎn)物，置于流速為20(T400ml/min的惰性氣體氛圍下，用頻率為4X IO14HZl.5 X IO14HZ的激光以0.lcm/s^0.5cm/s移動(dòng)速率，左右并上下移動(dòng)以照射固體產(chǎn)物的所有外表面，照射完成后停止，即得到所述石墨烯。
[0021]此步驟目的在于:利用激光照射所提供的能量，使離子液體和石墨層間的水分子轉(zhuǎn)化為氣體排出，進(jìn)而使已被插層的石墨發(fā)生剝離，以得到石墨烯。
[0022]電解質(zhì)溶液由去離子水和離子液體組成，去離子水和離子液體的質(zhì)量比為1:
0.5^2離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽或1- 丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽。
[0023]本發(fā)明還包括利用上述制備方法制得的石墨烯。
[0024]以下以實(shí)施例1~4對(duì)本發(fā)明的石墨烯的制備步驟進(jìn)行具體說明:
[0025]實(shí)施例1
[0026]本實(shí)施例中石墨烯的制備步驟如下:
[0027]1、將純度99.5%的石墨制成石墨棒，以石墨棒作為正極，鉬棒為負(fù)極，分別接入外接電源的兩極中；
[0028]2、將正負(fù)極插入電解液中，電解液由Ig去離子水和Igl- 丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽混合而成。在正負(fù)極間施加1.2V電壓，持續(xù)5分鐘，再在正負(fù)極間施加IOV電壓，持續(xù)5分鐘后，將電解液溶液進(jìn)行過濾，并將固體產(chǎn)物置于在60°C下48h真空烘箱中真空干燥12小時(shí)。
[0029]3、將烘干后的固體產(chǎn)物置于流速為400ml/分鐘的氬氣氛圍下，用4X IO14HZ的氦激光器以0.lcm/s移動(dòng)速率左右移動(dòng)并上下移動(dòng)照射固體產(chǎn)物，照射完所有固體產(chǎn)物后，即得到石墨烯。
[0030]實(shí)施例1所制備的石墨烯材料的比表面積為926m2/g，具有較高的比表面積。
[0031]實(shí)施例2
[0032]本實(shí)施例中石墨烯的制備步驟如下:[0033]1、將純度99.5%的石墨制成石墨棒，以石墨棒作為正極，鉬棒為負(fù)極，分別接入外接電源的兩極中，以便在后續(xù)步驟中對(duì)正負(fù)極施加外接電壓；
[0034]2、將正負(fù)極插入由2g去離子水和Igl-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽混合而成的電解液中，在正負(fù)極間施加IV電壓，持續(xù)4分鐘，再在正負(fù)極間施加12V電壓，持續(xù)4分鐘后，將電解液溶液進(jìn)行過濾，并將固體產(chǎn)物置于100° C的真空烘箱中24小時(shí)；
[0035]3、將烘干后的固體產(chǎn)物置于流速:200ml/分鐘的氬氣保護(hù)下，用7.5 X IO14HZ氦激光器以0.5cm/s移動(dòng)速率左右移動(dòng)并上下移動(dòng)照射固體產(chǎn)物，照射完所有固體產(chǎn)物后，得到石墨稀。
[0036]實(shí)施例2所制備的石墨烯材料的比表面積為826m2/g。
[0037]實(shí)施例3
[0038]本實(shí)施例中石墨烯的制備步驟如下:
[0039]1、將純度99.5%的石墨制成石墨棒，以石墨棒作為正極，鉬棒為負(fù)極，分別接入外接電源的兩極中，以便在后續(xù)步驟中對(duì)正負(fù)極施加外接電壓；
[0040]2、再將正負(fù)極插入由Ig去離子水和Igl-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽構(gòu)成的電解液中，在正負(fù)極間施加1.5V電壓，持續(xù)2分鐘，再在正負(fù)極間施加15V電壓，持續(xù)8分鐘后，將電解液溶液進(jìn)行過濾，并將固體產(chǎn)物置于80° C的真空烘箱中12小時(shí)；
[0041]3、將烘干后的固體產(chǎn)物置于流速300ml/分鐘氬氣保護(hù)下，用5X IO14HZ的氖激光器以0.2cm/s移動(dòng)速率左右移動(dòng)并上下移動(dòng)照射固體產(chǎn)物，照射完所有固體產(chǎn)物后，得到石墨烯。
[0042]實(shí)施例3所制備的石墨烯材料的比表面積為1028m2/g。
[0043]實(shí)施例4
[0044]本實(shí)施例中石墨烯的制備步驟如下:
[0045]1、將純度99.5%的石墨制成石墨棒，以石墨棒作為正極，鉬棒為負(fù)極，分別接入外接電源的兩極中，以便在后續(xù)步驟中對(duì)正負(fù)極施加外接電壓；
[0046]2、將正負(fù)極插入由Ig去離子水和2gl_乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽構(gòu)成的電解液中，在正負(fù)極間施加0.8V電壓，持續(xù)I分鐘，再在正負(fù)極間施加13V電壓，持續(xù)15分鐘后,將電解液溶液進(jìn)行過濾,并將固體產(chǎn)物置于60° C的真空烘箱中20小時(shí)；
[0047]3、最后再將烘干后的固體產(chǎn)物置于流速250ml/分鐘氬氣保護(hù)下，用6 X IO14HZ的氖激光器以0.4cm/s移動(dòng)速率左右移動(dòng)并上下移動(dòng)照射固體產(chǎn)物，照射完所有固體產(chǎn)物后，得到石墨稀。
[0048]實(shí)施例4所制備的石墨烯材料的比表面積為915m2/g。
[0049]圖1為實(shí)施例1所制備的石墨烯材料利用BET測(cè)孔儀得出的吸附-脫附等溫曲線。通過對(duì)石墨烯進(jìn)行BET比表面積檢測(cè)法(比表面積是指每克物質(zhì)中所有顆?？偼獗砻娣e之和)，得出不同相對(duì)壓力下的吸附量數(shù)值。再將圖中低壓、中壓、高壓的吸附量坐標(biāo)點(diǎn)輸入比表面積數(shù)值測(cè)試儀中，自動(dòng)得出相應(yīng)的比表面積數(shù)值。
[0050]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的石墨烯及其制備方法，存在以下的優(yōu)點(diǎn):
[0051]利用電化學(xué)插層法和激光剝離法使石墨高效地轉(zhuǎn)化為石墨烯，使所制備的石墨烯具有極聞的比表面積(實(shí)施例中最聞可達(dá)1028m2/g),提聞了石墨稀的儲(chǔ)能性等；且制備過程中所需的設(shè)備和工藝都很簡(jiǎn)單、便于操作，而且原料廉價(jià)、成本低，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0052]上述內(nèi)容，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用于限制本發(fā)明的實(shí)施方案，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的主要構(gòu)思和精神，可以十分方便地進(jìn)行相應(yīng)的變通或修改，故本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所要 求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 以石墨棒為正極，鉬棒為負(fù)極，接入外接電源中； 將所述正極和所述負(fù)極插入電解質(zhì)溶液中，施加0.8V^1.5V的電壓，保持f 5分鐘后停止，再施加10疒15V的電壓并保持4~15分鐘，之后將所述電解液溶液過濾并烘干； 再將烘干后得到的固體產(chǎn)物置于惰性氣體氛圍下，用頻率為4 X IO14HZ~7.5X IO14HZ的激光進(jìn)行照射，即得到所述石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述石墨棒的石墨純度99.5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述電解質(zhì)溶液由去離子水和離子液體組成，去離子水和所述離子液體的質(zhì) 量比為1:0.5~2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽或1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述激光照射時(shí)的移動(dòng)速率為0.lcm/s~0.5cm/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性氣體的流速為200-400ml/min0
7.—種權(quán)利要求1至6任一所述的制備方法制得的石墨烯。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK103964418SQ201310038908
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月31日
【發(fā)明者】周明杰, 鐘輝, 王要兵, 劉大喜 申請(qǐng)人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司