專(zhuān)利名稱(chēng)：石墨烯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯的制備方法。本發(fā)明制備的石墨烯可以廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、電容型脫鹽、鋰離子電池等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯作為一種新型的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳材料，其具有良好的導(dǎo)電性(7200 S/m)、較大的理論比表面積(2600 m2/g)、高機(jī) 械穩(wěn)定性等優(yōu)越的性能，故引起了廣泛的關(guān)注。目前制備石墨烯的方法主要有(I)微機(jī)械剝離法，如英國(guó)曼切斯特大學(xué)安德利等人利用膠帶法制備出石墨烯，該方法雖能獲得質(zhì)量較高的少層石墨烯，但產(chǎn)率較低、過(guò)程繁瑣限制了其使用；(2)化學(xué)氣相沉積法，該方法是在帶有催化劑襯底的反應(yīng)器中，碳原子在襯底上沉積生長(zhǎng)成石墨烯，該方法能夠生產(chǎn)大量的石墨烯，但是石墨烯的生長(zhǎng)條件苛刻、成本也較高。(3)氧化還原法，該方法包括兩個(gè)步驟石墨經(jīng)強(qiáng)氧化劑氧化形成氧化石墨，氧化石墨經(jīng)化學(xué)或熱還原得石墨烯。由于該方法成本較低、操作簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用。化學(xué)還原法被認(rèn)為是大量制備石墨烯的有效方法，常用的還原劑有水合肼、對(duì)苯二酚等，但這些還原劑的極高毒性，對(duì)環(huán)境和人體都有極大的危害，限制了其使用。因此新型的低毒性還原劑逐漸受到關(guān)注，如=Dreyer等人利用醇(乙醇、苯甲醇等)作為還原劑還原氧化石墨，但是其比表面積僅為10-40 m2/g，這是因?yàn)樵谶€原過(guò)程中，隨著含氧基團(tuán)的去除，n鍵恢復(fù)，石墨烯會(huì)產(chǎn)生大量的團(tuán)聚(Dreyer, D. R. ; Murali, S. ; Zhu, Y. ; Ruoff,R. S. ; Bielawski, C. ff. , Reduction of graphite oxide using alcohols. J MaterChem 2011, 21 (10)，3443)。團(tuán)聚現(xiàn)象一方面降低還原程度、同時(shí)比表面積也隨之降低。因此，本發(fā)明選擇低毒性的還原劑制備了石墨烯，并解決石墨烯的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高其有效比表面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用低毒性還原劑將氧化石墨還原，并使其具有較高的比表面積。本發(fā)明采用吡啶溶劑熱法，利用吡啶分子與氧化石墨平面間的共軛，在溶劑熱過(guò)程中促進(jìn)石墨烯的剝離，同時(shí)利用石墨烯在吡啶中有較好的分散性，可以防止部分還原的石墨烯在還原過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚，便于提高氧化石墨的還原程度。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)手段和措施來(lái)達(dá)到的。本發(fā)明所提供的石墨烯的制備方法，包括以下步驟
室溫下，將吡啶與醇類(lèi)有機(jī)溶劑混合，形成均一的混合溶液，將氧化石墨混合在上述混合溶劑中，超聲30 60 min,氧化石墨在上述混合溶液中的濃度為I 8 mg/mL,轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，120 200 °C反應(yīng)12 48 h，去離子水洗滌、無(wú)水乙醇洗滌，低溫烘干，得石墨稀。上述氧化石墨在混合溶液中的濃度為I 8 mg/mL,氧化石墨能較好分散，便于吡啶分子通過(guò)鍵插入氧化石墨層間，濃度過(guò)高，不利于超聲分散和吡啶的插層。
上述吡啶與醇類(lèi)有機(jī)溶劑體積比為1:10 1:1，吡啶的含量過(guò)少，不利于插層，進(jìn)而影響石墨烯的剝離，吡啶含量過(guò)多，氧化石墨得不到充分還原。上述醇類(lèi)有機(jī)溶劑可以選自甲醇、乙醇、苯甲醇中的任意一種或幾種。本發(fā)明制備過(guò)程簡(jiǎn)單，能耗小，易于操作。本發(fā)明方法采用吡啶溶劑熱法制備石墨烯，充分利用氧化石墨與吡啶之間鍵，促進(jìn)石墨烯的剝離。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。實(shí)施例I 在冰水浴條件下將3 g石墨在攪拌下緩慢加入到120 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的濃硫酸中，緩慢加入15 g高錳酸鉀，在35 °C恒溫水浴中，攪拌下保溫2 h，反應(yīng)結(jié)束后，緩慢加入500mL去離子水稀釋?zhuān)瑪嚢鑾追昼姡尤?2. 5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的H2O2，靜置后過(guò)濾，充分洗滌濾餅，洗滌至中性，室溫下干燥得到氧化石墨。室溫下，將吡啶與乙醇按體積比為1:1的比例混合，氧化石墨混合在上述溶液中，氧化石墨在上述混合溶液中的濃度為2 mg/mL，超聲分散30 min，將分散液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，在120 °C加熱反應(yīng)48 h，得石墨烯。去離子水洗、無(wú)水乙醇洗，烘干后即得石墨烯。經(jīng)氮?dú)馕矫摳綔y(cè)試，其比表面積大于160 m2/g。實(shí)施例2
在冰水浴條件下將3 g石墨在攪拌下緩慢加入到120 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的濃硫酸中，緩慢加入15 g高錳酸鉀，在35 °C恒溫水浴中，攪拌下保溫2 h，反應(yīng)結(jié)束后，緩慢加入500mL去離子水稀釋?zhuān)瑪嚢鑾追昼?，加?2. 5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的H2O2，靜置后過(guò)濾，充分洗滌濾餅，洗滌至中性，室溫下干燥得到氧化石墨。室溫下，將吡啶與乙二醇按體積比為1:5的比例混合，氧化石墨混合在上述溶液中，氧化石墨在上述混合溶液中的濃度6 mg/mL,超聲分散45 min，然后將分散液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，在150 °(加熱反應(yīng)12 h，得石墨烯。去離子水洗滌、無(wú)水乙醇洗滌，烘干后即得石墨烯。經(jīng)氮?dú)馕矫摳綔y(cè)試，其比表面積大于200 m2/g°實(shí)施例3
在冰水浴條件下將3 g石墨在攪拌下緩慢加入到120 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%的濃硫酸中，緩慢加入15 g高錳酸鉀，在35 °C恒溫水浴中，攪拌下保溫2 h，反應(yīng)結(jié)束后，緩慢加入500mL去離子水稀釋?zhuān)瑪嚢鑾追昼?，加?2. 5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的H2O2，靜置后過(guò)濾，充分洗滌濾餅，洗滌至中性，室溫下干燥得到氧化石墨。室溫下，將吡啶與苯甲醇按體積比為1:10的比例混合，氧化石墨混合在上述溶液中，氧化石墨在上述混合溶液中的濃度10 mg/mL，超聲分散60 min，然后將分散液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，在200 °(加熱反應(yīng)24 h，得石墨烯。去離子水洗滌、無(wú)水乙醇洗滌，烘干后即得石墨烯。經(jīng)氮?dú)馕矫摳綔y(cè)試，其比表面積大于200 m2/g°
權(quán)利要求
1.石墨烯的制備方法，其特征在于該方法具有以下工藝過(guò)程在室溫條件下，將吡啶與醇類(lèi)有機(jī)溶劑按照一定比例混合，形成均一的混合溶液；將氧化石墨按照一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超聲分散于上述混合溶液中，超聲分散30 60 min后,得均一的分散液后,轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行高溫反應(yīng)，最后洗滌、烘干，得到石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯制備方法，其特征在于所述的醇類(lèi)有機(jī)溶劑為乙醇、乙二醇、苯甲醇中的任意一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯制備方法，其特征在于混合溶液中吡啶與醇類(lèi)有機(jī)溶劑的體積比為I : 10 I : I。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯制備方法，其特征在于氧化石墨在混合溶劑中的濃度為 I 8 mg/mL0
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯制備方法，其特征在于高溫反應(yīng)的溫度為120 200°C，時(shí)間為12 48 h0
全文摘要
本發(fā)明屬于碳材料制作工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯的制備方法。本發(fā)明的要點(diǎn)是室溫下，將吡啶與醇類(lèi)有機(jī)溶劑按1:10～1:1的比例混合，其中醇類(lèi)有機(jī)溶劑可選自甲醇、乙醇、苯甲醇等中的任意一種或幾種，將氧化石墨超聲分散在上述混合溶液中，氧化石墨在上述混合溶液中的濃度為1～8mg/mL，然后將分散液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，120～200oC加熱反應(yīng)12～48h，得到石墨烯。本發(fā)明方法所制得的石墨烯還原程度高、比表面積大，且避免使用高毒性的還原劑。本發(fā)明制備的石墨烯可廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、電容型脫鹽等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102765716SQ201210245509
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者張劍平, 張登松, 施利毅, 溫曉茹, 王慧, 顏婷婷 申請(qǐng)人:上海大學(xué)