本發(fā)明屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，亦屬于以石墨衍生物作為分散劑在剪應(yīng)力作用下剝離制備石墨烯領(lǐng)域的應(yīng)用。具體涉及以石墨為原料，將原料分散在石墨衍生物中用剪應(yīng)力制備高濃度石墨烯方法。

背景技術(shù)：

作為一類新型的納米材料，石墨烯的制備與應(yīng)用研究成為材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)。石墨烯是一種由SP²雜化的碳原子以六方形格子的形式成鍵，所形成的的碳的二維平面單層結(jié)構(gòu)。石墨烯是構(gòu)建其他維數(shù)碳材料的基本單元。石墨烯具有良好的電學(xué)與光學(xué)性能、力學(xué)性能、熱傳導(dǎo)性能以及極高的電荷載流子遷移率，同時還有出色的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。石墨烯的這些性質(zhì)，讓它成為研究的熱點(diǎn)。通過化學(xué)修飾處理的石墨烯及其衍生物更是具有特殊功能的材料，可用于晶體管、液晶裝置、電化學(xué)生物傳感器、超級電容器、燃料電池、太陽能電池等等。目前，雖然已經(jīng)制備出高質(zhì)量石墨烯，但是石墨烯大規(guī)模高質(zhì)量生產(chǎn)仍是一個難點(diǎn)，因此解決這個難點(diǎn)成為人們關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。

目前，人們通常用機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長法、氧化還原法、液相剝離法等制備石墨烯。但是每種方法都有不足之處。例如，機(jī)械剝離法能制備高質(zhì)量石墨烯，但是產(chǎn)量有限。而氣相沉積法雖可用于制備大面積石墨烯，但是其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制備條件苛刻、生產(chǎn)成本高且石墨烯薄膜的分離和轉(zhuǎn)移工藝有著很高的難度。氧化還原法是目前能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的方法，但是制備的石墨烯在組成和結(jié)構(gòu)上存在缺陷，大大影響了石墨烯的電化學(xué)性能。液相剝離法法制備石墨烯工藝簡單，成本低，但是產(chǎn)率小等，所用的剝離設(shè)備通常為超聲波發(fā)生器，造成產(chǎn)品缺陷多，面積小，應(yīng)用受限，規(guī)模放大困難。液相剝離法制備石墨烯是一種有望實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯量產(chǎn)化的方法。所以發(fā)展一種可以大量制備高性能石墨烯的新方法很重要。液相法制備石墨烯的已有的剝離體系主要包括：有機(jī)溶劑和助劑、水/表面活性劑、離子液體等。。有機(jī)溶劑作為剝離介質(zhì)時存在一些缺點(diǎn)，如毒性大，價格昂貴，難分離，生物相容性不好等。水是良好的溶劑且無毒性，但是水的表面張力并不能與石墨烯相匹配，必須添加表面活性劑來降低水的表面張力，從而幫助剝離石墨。不同的表面活性劑由于其結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不同，剝離石墨烯的效果也各部一相同，而且，同一種表面活性劑所加的量不同，石墨的剝離效果也不一樣。常見的表面活性劑有，十二烷基苯磺酸鈉、聚乙烯吡啶烷酮、膽酸鈉、牛黃脫氧膽酸鈉等。這同時又帶來兩個主要問題，一是成本增加，二是吸附的表面活性劑很難除去，難以回收循環(huán)利用。

本發(fā)明以易分散于水的石墨衍生物為分散劑，在剪應(yīng)力的作用下，將原料石墨剝離制備石墨烯，采用這種分散劑的優(yōu)點(diǎn)有：(1)剝離效率高，具有工業(yè)應(yīng)用價值；(2)沒有引入外來雜質(zhì)，所加入的石墨衍生物同時被剝離成二維納米材料，可通過離心和靜置等手段與石墨烯分離，作為分散劑重復(fù)使用或作為產(chǎn)品；也可以通過還原和煅燒等手段，轉(zhuǎn)化為石墨烯。采用的體系以水為分散劑，剝離在常溫常壓下進(jìn)行，綠色、環(huán)保、安全。更為關(guān)鍵的是，本發(fā)明所采用的剪切設(shè)備，都是工業(yè)上常用設(shè)備，易規(guī)模放大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種新型的以剪切設(shè)備制備石墨烯的方法。以石墨的衍生物作為分散劑，在水中用剪切設(shè)備剝離，得到石墨烯。該方法簡單易行，得到的納米片質(zhì)量高，大小可控，高效低成本，適合大規(guī)模生產(chǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明公開了一種用剪切設(shè)備剝離制備石墨烯的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟：

將石墨衍生物作為分散劑，將不同的石墨原料分散到石墨衍生物的水相分散液中，在剪切設(shè)備中，在一定的時間下，進(jìn)行剝離和處理得到石墨烯。上述剝離后的混合液進(jìn)行靜置或離心，上清液為純石墨烯溶液?；?qū)⒓羟蟹稚⒑蟮母缓┑膽腋∫哼M(jìn)行煅燒得到石墨烯。

石墨原料包括但不限于：可膨脹石墨、天然鱗片石墨、合成石墨等。

石墨衍生物包括但不限于：氧化石墨、邊緣氧化石墨、磺化石墨、羧基化石墨等。

使用的剪切設(shè)備包括且不限于：球磨機(jī)、高速剪切機(jī)、高速攪拌機(jī)等。

靜置或離心分離；高溫焙燒等純化石墨烯，煅燒溫度在300-1050℃之間，時間在3-3600s之間。

以水為介質(zhì)，石墨衍生物與石墨原料的質(zhì)量比在1：1-1：30之間。在常溫、常壓下剝離，初始所得富含石墨烯懸浮液濃度在2-7mg/mL之間。剝離時間在1-10小時之間。

優(yōu)選石墨烯的層數(shù)在1-5層之間，大小在1-10微米之間。

本發(fā)明的可以通過調(diào)節(jié)或控制剝離時間、石墨衍生物的加入量、石墨原料粉體的濃度等條件，得到所需要石墨烯片層的大小、厚度及石墨烯的量等。本發(fā)明的實(shí)驗結(jié)果是，在一定范圍內(nèi)，剝離時間越長，得到的石墨烯的尺寸越小，懸浮液濃度越高，而層數(shù)變化不大。

附圖說明

下面結(jié)合附圖本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明；

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1剝離制備的石墨烯的SEM圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1剝離制備的石墨烯的TEM圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1剝離制備的石墨烯的AFM圖。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明制備石墨烯的非限定性實(shí)例。本發(fā)明還應(yīng)包括，在不背離本發(fā)明范圍的條件下本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠進(jìn)行的各種改變。

實(shí)施例1該方法制備石墨烯納米材料，包括以下步驟：采用高速均質(zhì)分散機(jī)。

1)按氧化石墨與可膨脹石墨質(zhì)量比為1:10配制相應(yīng)的分散液，磁子攪拌30min，得到總濃度為16.5mg/mL的分散液。

2)將高速均質(zhì)分散機(jī)置于步驟1)的分散液中剪切分散，常溫常壓下，將分散液預(yù)剝離3h，得到懸浮液。

3)將步驟2)剝離得到的懸浮液靜置24h，取上清液在轉(zhuǎn)速為3000rpm下，離心10min，取上清液。

上述離心得到的上清液中石墨烯的濃度為2mg/mL，產(chǎn)率為12.2％，長度大小平均為8.6μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例2：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。石墨原料采用天然鱗片石墨，且氧化石墨與天然鱗片石墨的質(zhì)量比為1:15，得到的石墨烯濃度為3mg/mL，產(chǎn)率為12.5％，長度大小平均為9μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例3：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。石墨原料采用合成石墨，磺化石墨與合成石墨的質(zhì)量比例為1:25，分散液的總濃度為39mg/mL，得到的石墨烯濃度為5mg/mL，產(chǎn)率為12.8％，長度大小平均為10μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例4：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。剝離時間為1h，得到的石墨烯的濃度為1.2mg/mL，產(chǎn)率為7.3％，長度大小平均為10μm，層數(shù)小于5層。

實(shí)施例5：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。剝離時間為2h，得到的石墨烯的濃度為1.6mg/mL，產(chǎn)率為9.7％，長度大小平均為7μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例6：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。剝離時間為4h，得到的石墨烯的濃度為2.5mg/mL，產(chǎn)率為12.5％，長度大小平均為5μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例7：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。剝離時間為6h，得到的石墨烯的濃度為1mg/mL，產(chǎn)率為6.1％，長度大小平均為1μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例8：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。氧化石墨與可膨脹石墨的質(zhì)量之比為1:5，得到的石墨烯的濃度為1.1mg/mL,產(chǎn)率為12％，長度大小平均為8.5μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例9：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。邊緣氧化石墨與鱗片石墨的質(zhì)量之比為1:20，分散液的總濃度為31.5mg/mL，得到的分散液用球磨機(jī)進(jìn)行剝離，得到分散液的濃度為4mg/mL,產(chǎn)率為12.7％，長度大小平均為8.7μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例10：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例11。用羧基化石墨作為分散劑，羧基化石墨與可膨脹石墨的質(zhì)量比為1:25，分散液的總濃度為39mg/mL，得到的石墨烯的濃度為6mg/mL，產(chǎn)率為15.4％，長度大小平均為8.7μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例11：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例10。羧基化石墨與合成石墨的質(zhì)量比為1:30，分散液的總濃度為46.5mg/mL,得到的石墨烯的濃度為7mg/mL，產(chǎn)率為15％，長度平均大小為8.6μm，層數(shù)1-5層。

實(shí)施例12：除下述變化外，其余過程同實(shí)施例1。把分散液用廚房攪拌機(jī)剝離，得到的石墨烯的濃度為2.1mg/mL，產(chǎn)率為12.7％，長度平均大小為9μm，層數(shù)1-5層。

或者將實(shí)施例1中的剪切分散后的富含石墨烯的懸浮在1000℃下煅燒600s得到石墨烯，通過元素分析，石墨烯的純度高達(dá)99％。

將實(shí)施例2中的剪切分散后的富含石墨烯的懸浮液在900℃下煅燒1800s得到石墨烯，通過元素分析，石墨烯的純度高達(dá)99％。

將實(shí)施例3中的剪切分散后的富含石墨烯的懸浮液在700℃下煅燒3000s得到石墨烯，通過元素分析，石墨烯的純度高達(dá)98％。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅是為了詳細(xì)的說明本發(fā)明所做的舉例，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的變化仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。