本發(fā)明屬于石墨烯的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低成本制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種sp²雜化Ｃ原子形成的六邊形二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展得到的單層、兩層或多層（＜1０層）材料，單層石墨烯的理論表面積可達(dá)2620m²/g，載流子遷移速率最大可達(dá)2×10⁵cm²/（V·S），斷裂強(qiáng)度可達(dá)130GPa，彈性模量超過1TPa，熱導(dǎo)率約為3000W/(m·K)，透光率超過97%。自2004年石墨烯第一次被發(fā)現(xiàn)以來，它優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)特征使其迅速成為材料工作者的研究熱點(diǎn)。

石墨烯的制備技術(shù)成了研究石墨烯其他性能的關(guān)鍵和前提。目前，氧化還原法是制備石墨烯最常用的方法。該方法首先需制備出氧化石墨烯，制備氧化石墨烯的方法一般有三種：Standenmaier法、Brodie法、Hummers法。制備的基本原理均為先用強(qiáng)質(zhì)子酸處理石墨, 形成石墨層間化合物, 然后加入強(qiáng)氧化劑對(duì)其進(jìn)行氧化。因這些方法中均使用了對(duì)化工設(shè)備有強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，故在操作過程中具體一定的局限性和危險(xiǎn)性，需探索新的方法對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行修飾。氧化石墨烯的還原方法有多種，包括熱還原、化學(xué)液相還原、光照還原、溶劑熱還原等，常用的還原劑有氫氣、肼、氨氣、硼氫化鈉等，在還原過程中需防止氧化石墨烯的團(tuán)聚。氧化還原法涉及的操作有一定的局限性，且生產(chǎn)效率較低，周期較長(zhǎng)（排除氧化石墨烯溶液的離子需要透析過程，需兩周左右）。另外，微機(jī)剝離法也是制備石墨烯的方法之一，該方法的基本原理就是在高定向的熱解石墨進(jìn)行離子刻飾貼在玻璃襯底上，用透明膠帶反復(fù)撕揭，最后得到的把剩余在襯底上的石墨在丙酮里超聲，得到石墨烯。該方法雖然操作簡(jiǎn)單，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 難以精確控制, 重復(fù)性較差, 也難以大規(guī)模制備?；瘜W(xué)氣相沉積法也是制備石墨烯的一種方法，該方法對(duì)工藝要求嚴(yán)格，制備成本高，且精度難以控制，所以還需進(jìn)一步改進(jìn)。

本發(fā)明綜合了液相剝離和機(jī)械球磨的思想，結(jié)合了液相插層不破壞原子結(jié)構(gòu)和機(jī)械球磨減薄高效兩者的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造性地探索出一種新穎、實(shí)用、高效地制備石墨烯的方法，其制備效率比氧化還原法高出幾倍甚至十幾倍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上幾種制備石墨烯方法存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種工藝簡(jiǎn)易，操作性強(qiáng)，且產(chǎn)率高的石墨烯制備方法，通過有機(jī)溶劑插層，再在機(jī)械力的作用下剝離層片石墨，生產(chǎn)周期短，成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種低成本制備石墨烯的方法，包括以下步驟：

（1）將甲基吡咯烷酮與石墨粉末按質(zhì)量比(1～5):1均勻混合，在60°C水浴中超聲分散半小時(shí)形成糊狀溶液；

（2）將（1）中溶液與研磨球一起加入到球磨罐中，放到行星式球磨機(jī)上，調(diào)節(jié)球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為350～450轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間為12～24小時(shí)；其中研磨球成分為氧化鋁，石墨粉、NMP和氧化鋁球的質(zhì)量比為1:（1～50）:(10～20)。

（3）在（2）中的溶液加入去離子水，再進(jìn)行水浴超聲分散，超聲過程中不斷攪拌；去離子水與石墨粉質(zhì)量比為（1～2）:1，水浴溫度為室溫；

（4）用去離子水充分洗滌（3）中的殘余NMP，放入烘箱中烘干至完全除去液相，得到的黑色粉末即為多層石墨烯。

本發(fā)明所述在NMP中超聲石墨粉時(shí)，對(duì)于超聲時(shí)間需嚴(yán)格控制，時(shí)間太短會(huì)造成有機(jī)溶劑插層不充分，影響后續(xù)的剝離效果；時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)使得層間距過大甚至分離，顆粒的比表面積變大，會(huì)由團(tuán)聚的趨勢(shì)，也會(huì)影響后續(xù)的剝離效果，后續(xù)的超聲處理原理亦是此。球磨步驟中，須采用有顆粒大小級(jí)配的氧化鋁研磨球，這樣能保證研磨的均勻及效率的提高。另外，研磨的時(shí)間也要盡量的長(zhǎng)一些，能保證石墨能夠充分地減薄。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）僅使用了超聲波清洗機(jī)、行星式球磨機(jī)、烘箱等實(shí)驗(yàn)室常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，石墨、甲基吡咯烷酮等原料，通過一種簡(jiǎn)單可行的方法制備出了石墨烯。

（2）石墨價(jià)格低廉，來源廣泛；有機(jī)溶劑為甲基吡咯烷酮，是常用的工業(yè)用品，也容易獲取且成本很低，實(shí)驗(yàn)過程中易除去，不會(huì)引入雜質(zhì)。

（3）該方法制備石墨烯所用的周期很短，相當(dāng)于氧化還原法效率的幾倍甚至更高，且實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢液量很少且易回收，無毒無害，安全系數(shù)高。

綜合以上，本發(fā)明制備過程簡(jiǎn)易，成本極低，效率極高，易于大量生產(chǎn)，有很大的工業(yè)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的石墨烯的掃描電鏡照片。

圖2為本發(fā)明制備的石墨烯的透射電鏡照片。

圖3為本發(fā)明制備的石墨烯的拉曼光譜圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地闡述，需要強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。

實(shí)施例1

(1)粒徑為50μm的石墨粉末10g，甲基吡咯烷酮（NMP）20ml，于燒杯中攪拌混合均勻形成糊狀混合液；

(2)將（1）得到的混合液在60°C水浴條件下超聲分散半小時(shí)，超聲過程中不斷攪拌；

(3)稱取具有粒徑大小級(jí)配的氧化鋁研磨球100g與（2）得到的混合液一起倒入到樹脂球磨罐中，再加10ml的NMP稀釋下混合液；

(4)將（3）中的球磨罐放入行星式球磨機(jī)內(nèi)，設(shè)置球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/分鐘。球磨時(shí)間設(shè)置為12小時(shí)；

(5)將（4）得到的混合液加入10ml去離子水，在常溫下超聲分散15分鐘，超聲過程不斷攪拌；

(6)將（5）中的混合液倒入托盤，烘干后得到的粉末即是石墨烯。

附 圖1為制備的石墨烯的掃描電鏡照片；圖2為制備的石墨烯的透射電鏡照片；圖3為制備的石墨烯的拉曼光譜圖。

實(shí)施例2

(1)取粒徑為50μm的石墨粉末10g，甲基吡咯烷酮（NMP）30ml，于燒杯中攪拌混合均勻形成糊狀混合液；

(2)將（1）得到的混合液在60°C水浴條件下超聲分散半小時(shí)，超聲過程中不斷攪拌；

(3)稱取具有粒徑大小級(jí)配的氧化鋁研磨球120g與（2）得到的混合液一起倒入到樹脂球磨罐中，再加20ml的NMP稀釋下混合液；

(4)將（3）中的球磨罐放入行星式球磨機(jī)內(nèi)，設(shè)置球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為450r/分鐘。球磨時(shí)間設(shè)置為18小時(shí)；

(5)將（4）得到的混合液加入15ml去離子水，在常溫下超聲分散15分鐘，超聲過程不斷攪拌；

(6)將（5）中的混合液倒入托盤，烘干后得到的粉末即是石墨烯。

實(shí)施例3

(1)取粒徑為50μm的石墨粉末8g，甲基吡咯烷酮（NMP）20ml，于燒杯中攪拌混合均勻形成糊狀混合液；

(2)將（1）得到的混合液在60°C水浴條件下超聲分散半小時(shí)，超聲過程中不斷攪拌；

(3)稱取具有粒徑大小級(jí)配的氧化鋁研磨球160g與（2）得到的混合液一起倒入到樹脂球磨罐中，再加10ml的NMP稀釋下混合液；

(4)將（3）中的球磨罐放入行星式球磨機(jī)內(nèi)，設(shè)置球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為350r/分鐘。球磨時(shí)間設(shè)置為24小時(shí)；

(5)將（4）得到的混合液加入15ml去離子水，在常溫下超聲分散15分鐘，超聲過程不斷攪拌；

(6)將（5）中的混合液倒入托盤，烘干后得到的粉末即是石墨烯。