石墨烯及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨烯及其制備方法，包括：1)將石墨粉體與氯化鋁混合，在惰性氣體保護(hù)下，于200～300℃條件下加熱5～95小時(shí)，然后降溫至20～30℃；2)繼續(xù)加入低碳硝基烷烴，于20～30℃條件下攪拌3～70小時(shí)，得到插層混合物；3)采用微波輻射加熱所述插層混合物，獲得膨脹石墨，再將該膨脹石墨置于水中強(qiáng)力攪拌，即制得石墨烯懸浮液。本發(fā)明提供的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)操作過(guò)程簡(jiǎn)單、易控，后處理簡(jiǎn)單，石墨烯的品質(zhì)高；(2)對(duì)環(huán)境和人的危害性?。?3)適宜規(guī)?；苽?；(4)便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種石墨烯及其制備方法。 石墨烯及其制備方法

【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種應(yīng)用廣泛的二維全碳材料，但大量制備這種材料仍存在成本高的問(wèn) 題。絕大多數(shù)報(bào)道是將石墨氧化后制備含有大量缺陷和官能團(tuán)的石墨烯，少數(shù)報(bào)道有用電 化學(xué)法或石墨插層法獲得石墨烯，其中用插層法制備石墨烯所使用的插層物質(zhì)是金屬鋰、 丁基鋰或氯化鐵，前兩者物質(zhì)不僅價(jià)格昂貴，且遇水易燃易暴，而后一種物質(zhì)在插層時(shí)則需 要較高的溫度，且氯化鐵對(duì)儀器設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，又與石墨中的碳原子相互作用很強(qiáng)，因此， 不僅制備過(guò)程非常復(fù)雜，而且后處理也非常繁瑣和困難，難以對(duì)石墨進(jìn)行簡(jiǎn)單剝離并獲得 商品質(zhì)的石墨稀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種石墨烯的制備方法，以明顯簡(jiǎn)化石墨烯的 制備過(guò)程，同時(shí)提商石墨稀的品質(zhì)。
[0004] 基于上述目的，本發(fā)明提供的石墨烯的制備方法包括以下步驟：
[0005] 1)將石墨粉體與氯化鋁混合，在惰性氣體保護(hù)下，于200?300°C條件下加熱5? 95小時(shí)，然后降溫至20?30°C ;
[0006] 2)繼續(xù)加入低碳硝基烷烴，于20?30°C條件下攪拌3?70小時(shí)，得到插層混合 物；
[0007] 3)采用微波輻射加熱所述插層混合物，獲得膨脹石墨粉末，再將該膨脹石墨置于 水中強(qiáng)力攪拌，即制得石墨烯懸浮液。
[0008] 可選地，所述石墨粉體與氯化鋁的質(zhì)量之比為1:3?10。
[0009] 較佳地，所述石墨粉體與低碳硝基烷烴的質(zhì)量體積之比為2?10克/毫升。
[0010] 較佳地，所述低碳硝基烷烴選自硝基甲烷、硝基乙烷和硝基丙烷中的至少一種。
[0011] 可選地，所述步驟2)中的攪拌速度為500?2000轉(zhuǎn)/分鐘，所述步驟3)中的攪 拌速度為6000?15000轉(zhuǎn)/分鐘。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟4)之后還包括：將所述石墨烯懸浮液離心、真空干燥后獲得石 墨稀粉體。
[0013] 可選地，在微波輻射下加熱混合物至200?350°C，并保持2?10分鐘。
[0014] 較佳地，所述微波輻射在空氣中進(jìn)行，所述微波的波長(zhǎng)為100?200mm，頻率為 2200 ?2800MHz。
[0015] 本發(fā)明還提供一種石墨烯，所述石墨烯根據(jù)上述石墨烯的制備方法制得。
[0016] 從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的石墨烯制備方法通過(guò)將石墨與無(wú)水氯化鋁混 合，在惰性氣體中加熱，氯化鋁分子在較低的反應(yīng)溫度下就可插入到石墨層間制得氯化鋁 插層物；再通過(guò)小分子有機(jī)物部分取代層間氯化鋁分子，在加熱下使有機(jī)物分解，進(jìn)而讓石 墨膨脹剝離，從而制得石墨烯?；蛘咧苯游⒉訜崧然X插層物，因氯化鋁迅速氣化而制得 膨脹石墨，從而制得石墨烯。由于處在層間的氯化鋁分子不穩(wěn)定，氯化鋁與石墨中的碳原子 相互作用較弱，易與低碳硝基烷烴發(fā)生部分交換，進(jìn)而使低碳硝基烷烴嵌在石墨層間，在加 熱條件下使層間的低碳硝基烷烴發(fā)生分解，促使石墨膨脹并剝離后就可制得高品質(zhì)的石墨 烯。因此，本發(fā)明提供的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1)操作過(guò)程簡(jiǎn)單、易控，后處理簡(jiǎn)單，石 墨烯的品質(zhì)高；（2)對(duì)環(huán)境和人的危害性?。唬?)適宜規(guī)?；苽?；（4)便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】：
[0017] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所用原料石墨粉體在100倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所用原料石墨粉體在500倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所用原料石墨粉體在1000倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖
[0020] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例制得的石墨烯在500倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例制得的石墨烯在1000倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例制得的石墨烯在100000倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖；
[0023] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例制得的石墨烯的透射電子顯微鏡圖；
[0024] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例原料片狀石墨粉體和制得的石墨烯的X射線衍射圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0026] 實(shí)施例1
[0027] 首先，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將2克石墨粉體與16克無(wú)水AICIJP入到反應(yīng)釜中混合均 勻，在250°C下加熱63小時(shí)；自然冷卻至25°C后，繼續(xù)向反應(yīng)釜中加入10毫升硝基甲烷，在 25°C下以1500轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌29小時(shí)后從反應(yīng)釜中取出插層混合物；然后在空氣中 微波輻射下加熱插層混合物至260°C左右，并保持4分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波加熱 后的膨脹石墨置于水中以8500轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸浮液， 將石墨烯懸濁液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。優(yōu)選地，所述氯化鋁為無(wú)水氯化鋁。其 中，所述微波的波長(zhǎng)為150_，頻率為2200MHz。需要說(shuō)明的是，也可以直接將插層混合物放 入微波爐中，在空氣中、常壓下微波加熱得到膨脹石墨。
[0028] 實(shí)施例2
[0029] 首先，高純氬氣保護(hù)下，將2克石墨粉體與17克無(wú)水A1C13加入到反應(yīng)釜中混合 均勻，在290°C下加熱26小時(shí)；自然冷卻至27°C后，繼續(xù)向反應(yīng)釜中加入15毫升硝基甲烷， 在26°C下以650轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌29小時(shí)后從反應(yīng)釜中取出插層混合物；然后在空氣 中微波輻射下加熱插層混合物至220°C左右，并保持5分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波加 熱后的膨脹石墨置于水中以10000轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸浮 液，將石墨烯懸濁液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。其中，所述微波的波長(zhǎng)為125_，頻 率為 2600MHz。
[0030] 實(shí)施例3
[0031] 首先，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將3克石墨粉體與25克無(wú)水A1C13加入到反應(yīng)釜中混合 均勻，在260°C下加熱52小時(shí)；自然冷卻至23°C后，繼續(xù)向反應(yīng)釜中加入16毫升硝基甲烷， 在27°C下以550轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌62小時(shí)后從反應(yīng)釜中取出插層混合物；然后在空氣 中微波輻射下加熱插層混合物至250°C左右，并保持4. 5分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波 加熱后的膨脹石墨置于水中以10650轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸 浮液，將石墨烯懸濁液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。其中，所述微波的波長(zhǎng)為130_， 頻率為2400MHz。需要說(shuō)明的是，也可以直接將插層混合物放入微波爐中，在空氣中、常壓下 微波加熱得到膨脹石墨。
[0032] 實(shí)施例4
[0033] 首先，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將5克石墨粉體與25克無(wú)水AICIJP入到反應(yīng)釜中混合均 勻，在300°C下加熱17小時(shí)；自然冷卻至28°C后，繼續(xù)向反應(yīng)釜中加入16毫升硝基乙烷，在 27°C下以820轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌55小時(shí)后從反應(yīng)釜中取出插層混合物；然后在空氣中微 波輻射下加熱插層混合物至300°C左右，并保持4分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波加熱后 的膨脹石墨置于水中以12360轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸浮液，將 石墨烯懸濁液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。
[0034] 實(shí)施例5
[0035] 首先，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將2. 5克石墨粉體與18克無(wú)水A1C13加入到反應(yīng)釜中混 合均勻，在265°C下加熱24小時(shí)；自然冷卻至25. 2°C后取出，在空氣中微波輻射下加熱混合 物至230°C左右，并保持4分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波加熱后的膨脹石墨置于水中以 11000轉(zhuǎn)/分鐘攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸浮液，將石墨烯懸濁液離心、真空干燥 后獲得石墨烯粉體。其中，所述微波的波長(zhǎng)為110?160mm，頻率為2300?2600MHz。
[0036] 實(shí)施例6
[0037] 首先，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將2. 5克石墨粉體與25克無(wú)水A1C13加入到反應(yīng)釜中混合 均勻，在290°C下加熱25小時(shí)；自然冷卻至25. 2°C后，繼續(xù)向反應(yīng)釜中加入16毫升硝基乙 烷，在27°C下以1580轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌72小時(shí)后從反應(yīng)釜中取出插層混合物；然后在 空氣中微波輻射下加熱插層混合物至250°C左右，并保持4分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微 波加熱后的膨脹石墨置于水中以9250轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸 浮液，將石墨烯懸濁液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。其中，所述微波的波長(zhǎng)為122_， 頻率為2250MHz。需要說(shuō)明的是，也可以直接將插層混合物放入微波爐中，在空氣中、常壓下 微波加熱得到膨脹石墨。
[0038] 實(shí)施例7
[0039] 首先，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將3克石墨粉體與28克無(wú)水A1C13加入到反應(yīng)釜中混合 均勻，在283°C下加熱36小時(shí)；自然冷卻至26. 2°C后，繼續(xù)向反應(yīng)釜中加入13毫升硝基丙 烷，在27°C下以1260轉(zhuǎn)/分鐘攪拌70小時(shí)后從反應(yīng)釜中取出插層混合物；然后在空氣中 微波輻射下加熱插層混合物至260°C左右，并保持4. 8分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波加 熱后的膨脹石墨置于水中以14400轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸浮 液，將石墨烯懸濁液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。其中，所述微波的波長(zhǎng)為160_，頻 率為2650MHz。需要說(shuō)明的是，也可以直接將插層混合物放入微波爐中，在空氣中、常壓下微 波加熱得到膨脹石墨。
[0040] 實(shí)施例8
[0041] 首先，高純氬氣保護(hù)下，將4克石墨粉體與25克無(wú)水A1C13加入到反應(yīng)釜中混合 均勻，在200°C下加熱95小時(shí)；自然冷卻至25°C后，繼續(xù)向反應(yīng)釜中加入30毫升硝基丙烷， 在26°C下以520轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌50小時(shí)后從反應(yīng)釜中取出插層混合物；然后在空氣 中微波輻射下加熱插層混合物至255°C左右，并保持4. 8分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波 加熱后的膨脹石墨置于水中以7700轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性良好的石墨烯懸浮 液，將石墨烯懸濁液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。其中，所述微波的波長(zhǎng)為135_，頻 率為 2440MHz。
[0042] 實(shí)施例9
[0043] 首先，高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將3克石墨粉體與25克無(wú)水A1C13加入到反應(yīng)釜中混合 均勻，在250°C下加熱63小時(shí)；自然冷卻至25°C后取出，在空氣中微波輻射下加熱混合物 至260°C左右，并保持5分鐘，得到膨脹石墨；最后，將微波加熱后的膨脹石墨置于水中以 12000轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌，即制得分散性較好的石墨烯懸浮液，將石墨烯懸濁液離心、真 空干燥后獲得石墨烯粉體。其中，所述微波的波長(zhǎng)為120?150mm，頻率為2400?2560MHz。
[0044] 參見圖1?3,分別為本發(fā)明實(shí)施例中所用原料石墨粉體在100倍數(shù)、500倍數(shù)和 1000倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖；參見圖4?7,分別是本發(fā)明實(shí)施例制得的石墨烯在500 倍數(shù)、1000倍數(shù)和100000倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖和透射電子顯微鏡圖。
[0045] 從圖中可以看出，原料石墨是具有片狀形貌，尺寸主要在0. 2?0. 4mm間的磷片狀 石墨，厚度也很厚。而通過(guò)本發(fā)明提供的方法制備得到的石墨烯則厚度非常薄，有明顯褶皺 存在。
[0046] 參見圖8,其為本發(fā)明實(shí)施例原料石墨粉體和制得的石墨烯的X射線衍射圖譜；從 圖中可以看出，原料石墨粉體的X射線衍射峰強(qiáng)度特別強(qiáng)，遠(yuǎn)強(qiáng)于所制得的石墨烯的X射線 衍射峰的強(qiáng)度，這是由于石墨烯具有單層或少數(shù)幾層結(jié)構(gòu)的緣故。
[0047] 如上所述，本發(fā)明提供的石墨烯制備方法通過(guò)將石墨與無(wú)水氯化鋁混合，在惰性 氣體中加熱，氯化鋁分子在較低的反應(yīng)溫度下就可插入到石墨層間制得氯化鋁插層物；再 通過(guò)小分子有機(jī)物部分取代層間氯化鋁分子，在加熱下使有機(jī)物分解，進(jìn)而讓石墨膨脹剝 離，從而制得石墨烯。或者直接微波加熱氯化鋁插層物，因氯化鋁迅速氣化而制得膨脹石 墨，從而制得石墨烯。由于處在層間的氯化鋁分子不穩(wěn)定，氯化鋁與石墨中的碳原子相互作 用較弱，易與低碳硝基烷烴發(fā)生部分交換，進(jìn)而使低碳硝基烷烴嵌在石墨層間，在加熱條件 下使層間的低碳硝基烷烴發(fā)生分解，促使石墨膨脹并剝離后就可制得高品質(zhì)的石墨烯。因 此，本發(fā)明提供的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1)操作過(guò)程簡(jiǎn)單、易控，后處理簡(jiǎn)單，石墨烯的 品質(zhì)高；（2)對(duì)環(huán)境和人的危害性??；（3)適宜規(guī)?；苽洌唬?)便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。
[〇〇48] 所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并 不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均 應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種石墨烯的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 將石墨粉體與氯化鋁混合，在惰性氣體保護(hù)下，于200?30(TC條件下加熱5?95 小時(shí)，然后降溫至20?30°C ; 2) 繼續(xù)加入低碳硝基烷烴，于20?30°C條件下攪拌3?70小時(shí)，得到插層混合物； 3) 采用微波輻射加熱所述插層混合物，獲得膨脹石墨，再將該膨脹石墨置于水中強(qiáng)力 攪拌，即制得石墨烯懸浮液。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征在于，所述石墨粉體與氯化鋁的 質(zhì)量之比為1:3?10。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征在于，所述石墨粉體與低碳硝基 烷烴的質(zhì)量體積之比為2?10克/毫升。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯的制備方法，其特征在于，所述低碳硝基烷烴選自硝 基甲烷、硝基乙烷和硝基丙烷中的至少一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中的攪拌速度 為500?2000轉(zhuǎn)/分鐘，所述步驟3)中的攪拌速度為6000?15000轉(zhuǎn)/分鐘。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征在于，所述步驟4)之后還包括： 將所述石墨烯懸浮液離心、真空干燥后獲得石墨烯粉體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征在于，在微波輻射下加熱混合物 至200?350°C，并保持2?10分鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯的制備方法，其特征在于，所述微波輻射在空氣中進(jìn) 行，所述微波的波長(zhǎng)為100?200_，頻率為2200?2800MHz。
9. 一種石墨烯，其特征在于，所述石墨烯根據(jù)權(quán)利要求1?8中任意一項(xiàng)所述的石墨烯 的制備方法制得。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK104085886SQ201410363993
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】嵇天浩, 鄒利鋒, 馬楠 申請(qǐng)人:嵇天浩