本發(fā)明專利涉及石墨烯的制備技術(shù)范疇，尤其是一種高表比面積的石墨烯的制備方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是平面單層碳原子緊密結(jié)合在一起形成的二維蜂窩狀晶格材料，這種特殊的結(jié)構(gòu)使其除了具有高比表面積、機(jī)械強(qiáng)度高和化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)外，更重要的石墨烯中碳原子呈sp2雜化，貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道的電子形成了大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，使石墨烯具有良好地導(dǎo)電性、新型的量子霍爾效應(yīng)以及獨(dú)特的超導(dǎo)性能。其優(yōu)異的電學(xué)性能引起了國內(nèi)外研究者們對(duì)其在導(dǎo)電材料應(yīng)用方面的關(guān)注，這就要求能夠有一種工藝簡單、可靠、可大規(guī)模生產(chǎn)尺寸均一的石墨烯的制備方法。目前，制備石墨烯采用的方法有：微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、溶劑剝離法和溶劑熱法等。其中氧化還原法一直被認(rèn)為是工藝簡單、可靠、可大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的有效途徑。然而，在傳統(tǒng)中氧化還原法常常使用聯(lián)氨或硼氫化鈉等作為還原劑，存在毒性大或價(jià)格昂貴缺點(diǎn)。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等性能，石墨烯在納米電子器件、復(fù)合材料、太陽能電池、超級(jí)電容器、儲(chǔ)氫材料等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。相比于薄膜狀、粉末狀的石墨烯，絮狀石墨烯具有更大的比表面積和表面性能、更疏松的孔結(jié)構(gòu)及表面結(jié)構(gòu)，在超級(jí)電容器、吸附、催化劑載體等領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用價(jià)值。但在制備絮狀石墨烯方面，目前還沒有非常有效的方法。

微波是一種全新的熱能技術(shù)，其頻率范圍為0.3～300GHz，它在納米粒子改性、選擇性加熱等方面已得到廣泛應(yīng)用。微波主要利用其微波能量場以每秒24.5億次的速度不斷地變換正負(fù)極性，分子運(yùn)動(dòng)發(fā)生了巨變，分子排列起來并高速運(yùn)動(dòng)，相互碰撞、摩擦、擠壓，從而使動(dòng)能—微波能轉(zhuǎn)化為熱能。由于此種能量來自于樣品內(nèi)部，本身不需要傳熱媒體，不靠對(duì)流，樣品溫度能夠迅速上升，從而可以全面、快速、均勻地加熱樣品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的是要提供一種石墨烯的制備方法，經(jīng)此方法制備的石墨烯為絮狀石墨烯，制備過程簡單，制備效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種石墨烯的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟：

S1、石墨分散漿料預(yù)處理：將高碳鱗片石墨粉和去離子水加入反應(yīng)器中混合均勻，在低溫冰水浴條件下超聲震蕩誘導(dǎo)水分子滲透，去離子水在石墨層間進(jìn)行滲透，得到預(yù)處理漿料；

S2、蓬松拓層處理：將S1步驟得到的預(yù)處理漿料進(jìn)行低溫冷凍處理，使擴(kuò)散在鱗片石墨層間隙的水分子冷凍結(jié)晶，利用水分子冰晶之間氫鍵擴(kuò)張，在石墨粉層之間形成插層膨脹，進(jìn)而對(duì)石墨烯相鄰兩層石墨片層進(jìn)行蓬松拓層，得到冷凍蓬松石墨；

S3、微波加熱處理：將S2步驟得到的冷凍蓬松石墨置于負(fù)壓環(huán)境中用高能微波加熱，利用極性水分子的高介電常數(shù)使冷凍蓬松石墨中的插層水分子迅速氣化膨脹，相鄰兩層石墨烯的間距快速擴(kuò)張，石墨烯片層擺脫層間范德華力，得到絮狀石墨烯樣本和殘余薄片石墨；

S4、精處理：重復(fù)步驟S1-S3，直至將步驟S3得到的殘余薄片石墨轉(zhuǎn)換為絮狀石墨烯，然后將絮狀石墨烯和丙酮加入反應(yīng)器中混合均勻，在低溫條件下超聲震蕩4-6小時(shí)，得到高表比面積石墨烯分散劑；

S5、干燥：將S4步驟得到的高表比面積石墨烯分散劑在負(fù)壓、60℃恒溫條件下烘干，既得高表比面積的石墨烯。

進(jìn)一步地，所述的S3步驟中微波加熱處理前還包括切割步驟：將冷凍蓬松石墨切割成小立方體，并在反應(yīng)器中依次陣列間隔排列，制成預(yù)處理反應(yīng)快，且相鄰小立方體之間的間隔為1mm-10mm。

進(jìn)一步地，切割成小立方體的冷凍蓬松石墨的尺寸規(guī)格為10mm×10mm×10mm。

進(jìn)一步地，所述S1步驟中高碳鱗片石墨粉的含碳量高于95％，低溫冰水浴的溫度為0℃至8℃，且得到的預(yù)處理漿料中，去離子水中高碳石墨的質(zhì)量百分比含量為0.1％-95％。

進(jìn)一步地，S1步驟中超聲震蕩時(shí)間為1小時(shí)-2小時(shí)。

進(jìn)一步地，所述S2步驟中低溫冷凍處理的冷凍溫度為-100℃至-30℃，冷凍時(shí)間為3小時(shí)-12小時(shí)。

進(jìn)一步地，所述S3步驟中負(fù)壓環(huán)境為0.001MPa-0.025MPa壓力條件。

進(jìn)一步地，所述S3步驟中微波加熱時(shí)的加熱功率范圍為800W-1500W，微波加熱時(shí)間為10min-45min。

進(jìn)一步地，所述S4步驟中超聲震蕩的功率為200W-1000W，低溫條件指環(huán)境溫度為0℃至8℃。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種按照權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)石墨烯的制備方法制備的石墨烯材料在儲(chǔ)能材料、電子元件、電導(dǎo)器件、熱導(dǎo)器件、化學(xué)纖維、機(jī)械零部件上的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的一種石墨烯的制備方法，得到絮狀石墨烯，以微波輔助替代傳統(tǒng)加熱方法對(duì)反應(yīng)進(jìn)行加熱，不僅具有加熱均勻、節(jié)能高效的特點(diǎn)，而且能極大提高反應(yīng)速率，將傳統(tǒng)還原反應(yīng)時(shí)間縮短。得到的絮狀石墨烯尺寸分布均勻、電學(xué)性能優(yōu)異。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

實(shí)施例一：

一種石墨烯的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟：

S1、石墨分散漿料預(yù)處理：將含碳量高于95％的高碳鱗片石墨粉和去離子水加入反應(yīng)器中混合均勻，在溫度為0℃的低溫冰水浴條件下超聲震蕩1小時(shí)，誘導(dǎo)水分子滲透，去離子水在石墨層間進(jìn)行滲透，得到預(yù)處理漿料，預(yù)處理漿料中，高碳石墨占去離子水的質(zhì)量百分比為2％；

S2、蓬松拓層處理：將S1步驟得到的預(yù)處理漿料在冷凍溫度為-100℃條件下進(jìn)行低溫冷凍處理3小時(shí)，使擴(kuò)散在鱗片石墨層間隙的水分子冷凍結(jié)晶，利用水分子冰晶之間氫鍵擴(kuò)張，在石墨粉層之間形成插層膨脹，進(jìn)而對(duì)石墨烯相鄰兩層石墨片層進(jìn)行蓬松拓層，得到冷凍蓬松石墨；

S3、微波加熱處理：將S2步驟得到的冷凍蓬松石墨置于0.001MPa負(fù)壓環(huán)境中用800W的高能微波加熱45min，利用極性水分子的高介電常數(shù)使冷凍蓬松石墨中的插層水分子迅速氣化膨脹，相鄰兩層石墨烯的間距快速擴(kuò)張，石墨烯片層擺脫層間范德華力，得到絮狀石墨烯樣本和殘余薄片石墨；

S4、精處理：重復(fù)步驟S1-S3，直至將步驟S3得到的殘余薄片石墨轉(zhuǎn)換為絮狀石墨烯，然后將絮狀石墨烯和丙酮加入反應(yīng)器中混合均勻，在0℃的低溫條件下超聲震蕩4小時(shí)，超聲震蕩功率為1000W，得到高表比面積石墨烯分散劑；

S5、干燥：將S4步驟得到的高表比面積石墨烯分散劑在負(fù)壓、60℃恒溫條件下烘干，既得高表比面積的石墨烯。

實(shí)施例二：

一種石墨烯的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟：

S1、石墨分散漿料預(yù)處理：將含碳量高于95％的高碳鱗片石墨粉和去離子水加入反應(yīng)器中混合均勻，在溫度為5℃的低溫冰水浴條件下超聲震蕩1.5小時(shí)，誘導(dǎo)水分子滲透，去離子水在石墨層間進(jìn)行滲透，得到預(yù)處理漿料，預(yù)處理漿料中，高碳石墨占去離子水的質(zhì)量百分比為2％；

S2、蓬松拓層處理：將S1步驟得到的預(yù)處理漿料在冷凍溫度為-60℃條件下進(jìn)行低溫冷凍處理6小時(shí)，使擴(kuò)散在鱗片石墨層間隙的水分子冷凍結(jié)晶，利用水分子冰晶之間氫鍵擴(kuò)張，在石墨粉層之間形成插層膨脹，進(jìn)而對(duì)石墨烯相鄰兩層石墨片層進(jìn)行蓬松拓層，得到冷凍蓬松石墨；

S3、微波加熱處理：將S2步驟得到的冷凍蓬松石墨置于0.01MPa負(fù)壓環(huán)境中用1000W的高能微波加熱30min，利用極性水分子的高介電常數(shù)使冷凍蓬松石墨中的插層水分子迅速氣化膨脹，相鄰兩層石墨烯的間距快速擴(kuò)張，石墨烯片層擺脫層間范德華力，得到絮狀石墨烯樣本和殘余薄片石墨；

S4、精處理：重復(fù)步驟S1-S3，直至將步驟S3得到的殘余薄片石墨轉(zhuǎn)換為絮狀石墨烯，然后將絮狀石墨烯和丙酮加入反應(yīng)器中混合均勻，在5℃的低溫條件下超聲震蕩5小時(shí)，超聲震蕩功率為800W，得到高表比面積石墨烯分散劑；

S5、干燥：將S4步驟得到的高表比面積石墨烯分散劑在負(fù)壓、60℃恒溫條件下烘干，既得高表比面積的石墨烯。

實(shí)施例三：

一種石墨烯的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟：

S1、石墨分散漿料預(yù)處理：將含碳量高于95％的高碳鱗片石墨粉和去離子水加入反應(yīng)器中混合均勻，在溫度為8℃的低溫冰水浴條件下超聲震蕩2小時(shí)，誘導(dǎo)水分子滲透，去離子水在石墨層間進(jìn)行滲透，得到預(yù)處理漿料，預(yù)處理漿料中，高碳石墨占去離子水的質(zhì)量百分比為40％；

S2、蓬松拓層處理：將S1步驟得到的預(yù)處理漿料在冷凍溫度為-30℃條件下進(jìn)行低溫冷凍處理12小時(shí)，使擴(kuò)散在鱗片石墨層間隙的水分子冷凍結(jié)晶，利用水分子冰晶之間氫鍵擴(kuò)張，在石墨粉層之間形成插層膨脹，進(jìn)而對(duì)石墨烯相鄰兩層石墨片層進(jìn)行蓬松拓層，得到冷凍蓬松石墨；

S3、微波加熱處理：將S2步驟得到的冷凍蓬松石墨置于0.025MPa負(fù)壓環(huán)境中用1500W的高能微波加熱10min，利用極性水分子的高介電常數(shù)使冷凍蓬松石墨中的插層水分子迅速氣化膨脹，相鄰兩層石墨烯的間距快速擴(kuò)張，石墨烯片層擺脫層間范德華力，得到絮狀石墨烯樣本和殘余薄片石墨；

S4、精處理：重復(fù)步驟S1-S3，直至將步驟S3得到的殘余薄片石墨轉(zhuǎn)換為絮狀石墨烯，然后將絮狀石墨烯和丙酮加入反應(yīng)器中混合均勻，在8℃的低溫條件下超聲震蕩6小時(shí)，超聲震蕩功率為300W，得到高表比面積石墨烯分散劑；

S5、干燥：將S4步驟得到的高表比面積石墨烯分散劑在負(fù)壓、60℃恒溫條件下烘干，既得高表比面積的石墨烯。

實(shí)施例四：

一種石墨烯的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟：

S1、石墨分散漿料預(yù)處理：將含碳量高于95％的高碳鱗片石墨粉和去離子水加入反應(yīng)器中混合均勻，在溫度為0℃至8℃的低溫冰水浴條件下超聲震蕩1小時(shí)-2小時(shí)，誘導(dǎo)水分子滲透，去離子水在石墨層間進(jìn)行滲透，得到預(yù)處理漿料，預(yù)處理漿料中，高碳石墨占去離子水的質(zhì)量百分比為0.1％-95％；

S2、蓬松拓層處理：將S1步驟得到的預(yù)處理漿料在冷凍溫度為-100℃至-30℃條件下進(jìn)行低溫冷凍處理3小時(shí)-12小時(shí)，使擴(kuò)散在鱗片石墨層間隙的水分子冷凍結(jié)晶，利用水分子冰晶之間氫鍵擴(kuò)張，在石墨粉層之間形成插層膨脹，進(jìn)而對(duì)石墨烯相鄰兩層石墨片層進(jìn)行蓬松拓層，得到冷凍蓬松石墨；

S3、微波加熱處理：將S2步驟得到的冷凍蓬松石墨切割成小立方體，并在反應(yīng)器中依次陣列間隔排列，制成預(yù)處理反應(yīng)快，且相鄰小立方體之間的間隔為1mm-10mm，然后置于0.001MPa-0.025MPa負(fù)壓環(huán)境中用800W-1500Wd的高能微波加熱10min-45min，利用極性水分子的高介電常數(shù)使冷凍蓬松石墨中的插層水分子迅速氣化膨脹，相鄰兩層石墨烯的間距快速擴(kuò)張，石墨烯片層擺脫層間范德華力，得到絮狀石墨烯樣本和殘余薄片石墨；

S4、精處理：重復(fù)步驟S1-S3，直至將步驟S3得到的殘余薄片石墨轉(zhuǎn)換為絮狀石墨烯，然后將絮狀石墨烯和丙酮加入反應(yīng)器中混合均勻，在0℃至8℃的低溫條件下超聲震蕩4-6小時(shí)，超聲震蕩功率為200W-1000W，得到高表比面積石墨烯分散劑；

S5、干燥：將S4步驟得到的高表比面積石墨烯分散劑在負(fù)壓、60℃恒溫條件下烘干，既得高表比面積的石墨烯。

實(shí)施例五：

一種石墨烯的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟：

S1、石墨分散漿料預(yù)處理：將含碳量高于95％的高碳鱗片石墨粉和去離子水加入反應(yīng)器中混合均勻，在溫度為2℃至6℃的低溫冰水浴條件下超聲震蕩1小時(shí)-2小時(shí)，誘導(dǎo)水分子滲透，去離子水在石墨層間進(jìn)行滲透，得到預(yù)處理漿料，預(yù)處理漿料中，高碳石墨占去離子水的質(zhì)量百分比為20％-70％；

S2、蓬松拓層處理：將S1步驟得到的預(yù)處理漿料在冷凍溫度為-90℃至-40℃條件下進(jìn)行低溫冷凍處理4小時(shí)-10小時(shí)，使擴(kuò)散在鱗片石墨層間隙的水分子冷凍結(jié)晶，利用水分子冰晶之間氫鍵擴(kuò)張，在石墨粉層之間形成插層膨脹，進(jìn)而對(duì)石墨烯相鄰兩層石墨片層進(jìn)行蓬松拓層，得到冷凍蓬松石墨；

S3、微波加熱處理：將S2步驟得到的冷凍蓬松石墨切割成尺寸規(guī)格為10mm×10mm×10mm的小立方體，并在反應(yīng)器中依次陣列間隔排列，制成預(yù)處理反應(yīng)快，且相鄰小立方體之間的間隔為2mm-8mm，然后置于0.001MPa-0.01MPa負(fù)壓環(huán)境中用1000W-1500W的高能微波加熱20min-35min，利用極性水分子的高介電常數(shù)使冷凍蓬松石墨中的插層水分子迅速氣化膨脹，相鄰兩層石墨烯的間距快速擴(kuò)張，石墨烯片層擺脫層間范德華力，得到絮狀石墨烯樣本和殘余薄片石墨；

S4、精處理：重復(fù)步驟S1-S3，直至將步驟S3得到的殘余薄片石墨轉(zhuǎn)換為絮狀石墨烯，然后將絮狀石墨烯和丙酮加入反應(yīng)器中混合均勻，在2℃至6℃的低溫條件下超聲震蕩4-6小時(shí)，超聲震蕩功率為300W-800W，得到高表比面積石墨烯分散劑；

S5、干燥：將S4步驟得到的高表比面積石墨烯分散劑在負(fù)壓、60℃恒溫條件下烘干，既得高表比面積的石墨烯。

實(shí)施例六：

本實(shí)施例公開了一種按照如上石墨烯的制備方法制備的石墨烯材料在儲(chǔ)能材料、電子元件、電導(dǎo)器件、熱導(dǎo)器件、化學(xué)纖維、機(jī)械零部件上的應(yīng)用。

可以理解的是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實(shí)施例所描述的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，以達(dá)到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。