本發(fā)明涉及一種利用液氮?dú)庀鄤冸x石墨粉(徑向尺寸為100nm-200um，厚度為>20nm)制備二維石墨烯的方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，石墨烯由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)收到人們的廣泛關(guān)注。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證明了石墨烯可以穩(wěn)定存在。安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫也因此獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，石墨烯逐漸成為了一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，其被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。但是，石墨烯的制備方法目前已成為了其工業(yè)化應(yīng)用的壁壘。傳統(tǒng)機(jī)械剝離的方法產(chǎn)率過(guò)低，無(wú)法用于工業(yè)化生產(chǎn)。氧化還原法合成的石墨烯雖然產(chǎn)率較高，但是所獲得的石墨烯存在大量的缺陷位，導(dǎo)致其電子傳輸能力大幅下降。雖然液相剝離的方法能夠獲得缺陷較少的石墨烯，但是同機(jī)械剝離的方法一樣，其低產(chǎn)率成為其工業(yè)化的障礙。目前，化學(xué)氣相沉積法(CVD)是目前最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點(diǎn)，但現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進(jìn)一步完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有石墨烯制備技術(shù)的不足，提供了一種利用石墨的熱膨脹和液氮的急劇氣化方法，制備缺陷位較少的石墨烯的方法，該方法具有操作簡(jiǎn)單、過(guò)程清潔無(wú)污染、成本低、產(chǎn)率高等特點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種利用液氮?dú)庀鄤冸x制備二維石墨烯的方法，包括以下步驟：

(1)將石墨粉置于坩堝中，空氣氛下加熱到400～1000℃，保持1～40分鐘；

(2)將步驟(1)中得到的石墨粉迅速轉(zhuǎn)移到盛有液氮的反應(yīng)容器中，直至液氮完全氣化；

(3)將步驟(2)中所得到的石墨粉重新收集到坩堝中，空氣氛下加熱到400～1000℃，保持1～40分鐘；

(4)重復(fù)上述步驟(2)～(3)2～20次，即可得到二維石墨烯。

步驟(1)中，所述石墨粉包括但不限于鱗片石墨，或由有機(jī)前驅(qū)體煅燒得到的石墨粉，其中，所述的有機(jī)前驅(qū)體為高分子化合物或多種高分子化合物的混合物(分子量>2000)，有機(jī)前驅(qū)體包括但不限于樹脂、纖維、糖類、煤炭和石油，其徑向尺寸為100nm-200um；厚度為>20nm；

步驟(1)和(3)中，加熱方式包括但不限于高溫爐煅燒、微波輔助加熱、輻射加熱和激光加熱。其中高溫爐包括但不限于馬弗爐、管式爐；微波輔助加熱采用反應(yīng)器包括但不限于微波反應(yīng)器、超聲波反應(yīng)器；輻射加熱的方式包括但不限于可見(jiàn)光、紅外光；激光發(fā)生器包括但不限于固體激光器、半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、染料激光器和化學(xué)激光器。加熱區(qū)間為400～1000℃，保持1～40分鐘；優(yōu)選的為加熱區(qū)間500～700℃，保持3～10分鐘；

步驟(1)中，坩堝的材質(zhì)包括但不限于氧化鋁、石英、陶瓷或碳化硅；

步驟(2)中，盛有液氮的容器的材質(zhì)包括但不限于塑料，聚四氟乙烯或杜瓦瓶；

步驟(2)中，液氮與石墨粉的體積比為0.5～20:1；

步驟(4)中，所得到的二維石墨烯為二維平面結(jié)構(gòu)或多孔結(jié)構(gòu)，徑向尺寸為10nm～200um，層數(shù)為20層以下，厚度<10nm。

有益效果：本發(fā)明采用液氮?dú)庀鄤冸x二維石墨烯的方法，利用高溫下石墨的膨脹導(dǎo)致層間距增大和液氮迅速氣化過(guò)程剝離得到石墨烯，采用此方法的獲得石墨烯不僅操作簡(jiǎn)單、成本較低、過(guò)程清潔無(wú)污染，而且產(chǎn)率較高，石墨烯的缺陷較少。本發(fā)明中所采用的方法不需要復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備，不需要有毒的化學(xué)試劑，反應(yīng)后產(chǎn)品易得，不需任何后處理,可以大批量工業(yè)生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1制備的二維石墨烯與石墨對(duì)比的XRD譜圖。

圖2是實(shí)施例1制備的二維石墨烯的原子力顯微鏡照片和二維石墨烯厚度，左邊圖為二維石墨烯的形貌圖，右邊A、B和C圖為二維石墨烯在左圖中不同位置的厚度尺寸。

具體實(shí)施方式

根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實(shí)施例所描述的內(nèi)容僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。

實(shí)施例1：

一種利用液氮?dú)庀鄤冸x制備二維石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)稱量1g鱗片石墨(～50um尺寸，厚度>200nm)置于陶瓷坩堝中，再轉(zhuǎn)移到馬弗爐中空氣氛下加熱到500℃，該溫度下保持10分鐘。

(2)將加熱后的鱗片石墨快速取出，迅速轉(zhuǎn)移到裝有液氮的杜瓦瓶(-196℃)中，液氮與鱗片石墨的體積比為5：1，至液氮完全氣化；

(3)將杜瓦瓶中的鱗片石墨再轉(zhuǎn)移到馬弗爐中加熱到500℃，保持10分鐘；

(4)重復(fù)步驟(2)和(3)10次，即得到二維石墨烯，徑向尺寸>5um，層數(shù)為20層以下，厚度<10nm。

圖1是本實(shí)施例制備的二維石墨烯的XRD圖。圖1中<002>晶面強(qiáng)度大幅度降低，表示在剝離前后，材料的厚度大大降低，由體相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樯賹咏Y(jié)構(gòu)。

圖2是本實(shí)施例制備的二維石墨烯的原子力顯微鏡照片和二維石墨烯厚度。左邊A圖和B圖為二維石墨烯的形貌圖，顯示所得到的二維石墨烯具有較大的尺寸，右邊C和D圖為二維石墨烯在左圖B中不同位置的厚度尺寸。原子力顯微鏡照片和高度分布圖說(shuō)明二維石墨烯納米片厚度<10nm，層數(shù)<20層。

實(shí)施例2：

一種利用液氮?dú)庀鄤冸x制備二維石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)稱量1g鱗片石墨(～10um尺寸，厚度>2um)置于氧化鋁坩堝中，再轉(zhuǎn)移到管式爐中空氣氛下加熱到600℃，該溫度下保持5分鐘。

(2)將加熱后的鱗片石墨快速取出，迅速轉(zhuǎn)移到裝有液氮的杜瓦瓶(-196℃)中，液氮與鱗片石墨的體積比為10:1，至液氮完全氣化；

(3)將杜瓦瓶中的鱗片石墨再轉(zhuǎn)移到管式爐中加熱到600℃，保持5分鐘；

(4)重復(fù)步驟(2)和(3)10次，即得到二維石墨烯，徑向尺寸>5um，層數(shù)為10層以下，厚度<4nm。

實(shí)施例3：

一種利用液氮?dú)庀鄤冸x制備二維石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)稱量1g纖維煅燒得到的石墨(以下簡(jiǎn)稱石墨，～100um尺寸，厚度>200nm)置于氧化鋁坩堝中，再轉(zhuǎn)移到管式爐中空氣氛下加熱到700℃，該溫度下保持3分鐘。

(2)將加熱后的石墨快速取出，迅速轉(zhuǎn)移到裝有液氮的聚四氟乙烯燒杯中(-196℃)中，液氮與石墨的體積比為15:1，至液氮完全氣化；

(3)將聚四氟乙烯燒杯中的石墨再轉(zhuǎn)移到管式爐中加熱到700℃，保持3分鐘；

(4)重復(fù)步驟(2)和(3)20次，即得到二維石墨烯，徑向尺寸>20um，層數(shù)為15層以下，厚度<6nm。

實(shí)施例4：

一種利用液氮?dú)庀鄤冸x制備二維石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)稱量1g樹脂煅燒得到的石墨(以下簡(jiǎn)稱石墨，～80um尺寸，厚度>400nm)置于陶瓷坩堝中，再在微波反應(yīng)器中微波加熱到750℃，該溫度下保持2分鐘。

(2)將加熱后的石墨快速取出，迅速轉(zhuǎn)移到裝有液氮的聚四氟乙烯燒杯中(-196℃)中，液氮與石墨的體積比為12:1，至液氮完全氣化；

(3)將聚四氟乙烯燒杯中的石墨再轉(zhuǎn)移到微波反應(yīng)器中加熱到750℃，保持2分鐘；

(4)重復(fù)步驟(2)和(3)20次，即得到二維石墨烯，徑向尺寸>25um，層數(shù)為10層以下，厚度<4nm。