石墨烯的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨稀(graphene)是由碳原子構(gòu)成的以六元環(huán)為基本單元的單原子層材料。石墨烯既可以堆積成為3D石墨，也可以卷曲成為ID碳納米管，甚至可以包裹成OD富勒烯。在二維平面上，SP2雜化的碳原子通過(guò)強(qiáng)的σ鍵與相鄰的三個(gè)碳原子連接，剩余的P電子軌道垂直于石墨烯平面，與周?chē)脑有纬纱箧I，使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性。石墨烯不僅蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，具有重要的理論研宄價(jià)值，而且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能有可能使它在多個(gè)領(lǐng)域獲得重大的實(shí)際應(yīng)用，為未來(lái)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展提供新的有力增長(zhǎng)點(diǎn)。石墨烯的理論比表面積可達(dá)2630!!!?'石墨烯的強(qiáng)度可達(dá)130GPa，是鋼的100多倍。石墨烯的熱導(dǎo)率是金剛石的3倍，大約是SXlOSWnrlK'石墨烯的載流子迀移率高達(dá)
2.5X 1Scm2V-1S'是商業(yè)硅片迀移率的100倍。石墨烯的這些優(yōu)異特性使其在光電子器件、化學(xué)電源(如太陽(yáng)能電池、鋰離子電池)、氣體傳感器、催化劑和藥物載體、抗靜電和散熱材料等領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用前景。因此，對(duì)石墨烯制備中的相關(guān)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行廣泛而深入的研宄，探索其在上述領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重大的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用價(jià)值，也是目前石墨烯研宄領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)之一。
[0003]目前，石墨烯的制備方法主要有機(jī)械剝離法、外延晶體生長(zhǎng)、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法等。其中，機(jī)械剝離法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成；SiC外延生長(zhǎng)的石墨烯，雖然可通過(guò)光刻過(guò)程直接做成電子器件，但由于SiC晶體表面在高溫加熱過(guò)程中表面容易發(fā)生重構(gòu)，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯；化學(xué)氣相沉積法被認(rèn)為是制備大面積石墨烯的好方法，但現(xiàn)階段工藝的不成熟以及較高的成本限制了其大規(guī)模的應(yīng)用；氧化石墨還原法通常是用濃硫酸、硝酸鈉和高錳酸鉀氧化片狀石墨得到氧化石墨，再用超聲剝離得到氧化石墨烯后用高溫?zé)崃呀獾姆椒▉?lái)還原氧化石墨烯。化學(xué)剝離法雖可以大量制備石墨烯，但其劇烈的氧化還原過(guò)程會(huì)破壞石墨烯平面的碳骨架，產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致所得的石墨烯質(zhì)量下降，雖然能有很高的產(chǎn)量但是復(fù)雜的工藝和質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重制約著石墨烯的推廣應(yīng)用。而電化學(xué)法制備石墨烯近年來(lái)已引起充分的關(guān)注，該方法在制備過(guò)程中無(wú)需使用高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑，可避免強(qiáng)氧化劑對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的破壞；無(wú)需使用堿金屬(K、Na)等易燃易爆物危險(xiǎn)物，不引入有毒有害物質(zhì)，環(huán)境友好；制備條件可控；成本低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]但是，傳統(tǒng)的電化學(xué)方法制備的石墨烯片層較厚，不能很好的滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要提供一種能夠制備得到片層較薄的石墨烯的石墨烯的制備方法。
[0006]一種石墨烯的制備方法，包括如下步驟:
[0007]將石墨棒浸泡在無(wú)機(jī)鹽溶液中直到所述石墨棒被充分浸潤(rùn)；
[0008]以充分浸潤(rùn)的所述石墨棒為陽(yáng)極，以金屬電極為陰極，以所述無(wú)機(jī)鹽溶液作為電解液，組裝成電解池體系，在所述陰極與所述陽(yáng)極之間施加恒定電壓進(jìn)行電化學(xué)剝離；
[0009]在電化學(xué)剝離完成后取出所述陽(yáng)極和所述陰極，保留所述電解液并且對(duì)所述電解液進(jìn)行超聲處理；以及
[0010]將超聲處理過(guò)的所述電解液離心后保留上層液體，所述上層液體即為石墨烯的水溶液，將所述石墨烯的水溶液過(guò)濾后保留濾渣，對(duì)所述濾渣進(jìn)行洗滌和干燥，得到石墨烯。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，所述石墨棒的材料為顆粒大小為0.0lmm?5mm的光譜純的石里年、O
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)鹽溶液選自錫酸鈉溶液和錫酸鉀溶液中的一種。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)鹽溶液的濃度為0.lmol/L?lmol/L。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，將石墨棒浸泡在所述無(wú)機(jī)鹽溶液中直到所述石墨棒被充分浸潤(rùn)的操作中，所述石墨棒浸泡在所述無(wú)機(jī)鹽溶液中的時(shí)間為Ih?2h。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，所述金屬電極的材料選自鉑、金、銀、銅、鈦和鎳中的一種。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述陰極與所述陽(yáng)極之間施加恒定電壓進(jìn)行電化學(xué)剝離的操作中，所述恒定電壓的范圍為IV?10V。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述陰極與所述陽(yáng)極之間施加恒定電壓進(jìn)行電化學(xué)剝離的操作中，所述電化學(xué)剝離的時(shí)間為30min?240min。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)所述電解液進(jìn)行超聲處理的操作中，所述超聲處理的時(shí)間為30min ?120mino
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，將超聲處理過(guò)的所述電解液離心的操作中，所述離心的轉(zhuǎn)速為100rpm?5000rpm，所述離心的時(shí)間為30min?60min。
[0020]這種石墨烯的制備方法先通過(guò)電化學(xué)剝離石墨棒得到含有石墨烯的電解液，接著將電解液超聲處理，最后對(duì)電解液離心，保留的上層液體過(guò)濾、洗滌、干燥后得到石墨烯。這種石墨烯的制備方法通過(guò)電化學(xué)插層和膨脹作用制得薄層石墨烯，相對(duì)于傳統(tǒng)的電化學(xué)方法制備的石墨烯片層，這種石墨烯的制備方法制得的石墨烯片層較薄。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為一實(shí)施方式的石墨烯的制備方法的流程圖；
[0022]圖2為實(shí)施例1制得的石墨烯的TEM照片；
[0023]圖3為實(shí)施例1制得的石墨烯的Raman圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面主要結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)石墨烯的制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0025]如圖1所示的一實(shí)施方式的石墨烯的制備方法，包括如下步驟:
[0026]S10、將石墨棒浸泡在無(wú)機(jī)鹽溶液中直到石墨棒被充分浸潤(rùn)。
[0027]石墨棒的材料可以為顆粒大小為0.0lmm?5mm的光譜純的石墨。對(duì)石墨棒可以進(jìn)行預(yù)處理，即采用砂紙將石墨棒表面打磨除污。
[0028]無(wú)機(jī)鹽溶液選自錫酸鈉(Na2SnO3)溶液和錫酸鉀(K2SnO3)溶液中的一種。錫酸鈉和錫酸鉀中所含的陰離子錫酸根離子(Sn032_)的大小與石墨片層之間的距離(0.34nm)相當(dāng)，可以插層進(jìn)入石墨的片層之間進(jìn)而減小石墨片層間的范德華作用力，有利于剝離得到薄層石墨烯。
[0029]無(wú)機(jī)鹽溶液的濃度可以為0.lmol/L?lmol/L。
[0030]SlO中，石墨棒浸泡在無(wú)機(jī)鹽溶液中的時(shí)間為Ih?2h。
[0031]S20、以SlO得到的充分浸潤(rùn)的石墨棒為陽(yáng)極，以金屬電極為陰極，以上述無(wú)機(jī)鹽溶液作為電解液，組裝成電解池體系，在陰極與陽(yáng)極之間施加恒定電壓進(jìn)行電化學(xué)剝離。
[0032]金屬電極的材料選自鉬、金、銀、銅、鈦和鎳中的一種。
[0033]S20中，恒定電壓的范圍為IV?10V，電化學(xué)剝離的時(shí)間為30min?240min。
[0034]S30、在電化學(xué)剝離完成后取出陽(yáng)極和陰極，保留電解液并且對(duì)電解液進(jìn)行超聲處理。
[0035]S30中，超聲處理的時(shí)間為30min?120min，以進(jìn)一步提高石墨稀在水溶液中的分散性。
[0036]S40、將S30得到的超聲處理過(guò)的電解液離心后保留上層液體，上層液體即為石墨烯的水溶液，將石墨烯的水溶液過(guò)濾后保留濾渣，對(duì)濾渣進(jìn)行洗滌和干燥，得到石墨烯。
[0037]S40中，離心的轉(zhuǎn)速為100pm?5000rpm，離心的時(shí)間為30min?60min。
[0038]將石墨烯的水溶液過(guò)濾的操作中，過(guò)濾可以采用抽濾的方法。
[0039]這種石墨烯的制備方法先通過(guò)電化學(xué)剝離石墨棒得到含有石墨烯的電解液，接著將電解液超聲處理，最后對(duì)電解液離心，保留的上層液體過(guò)濾、洗滌、干燥后得到石墨烯。這種石墨烯的制備方法是通過(guò)離子插層石墨片層，從而減小石墨片層間的范德華力，進(jìn)而達(dá)到表層石墨脫落制得薄層石墨烯，相對(duì)于傳統(tǒng)的電化學(xué)方法制備的石墨烯片層，這種石墨烯的制備方