一種在電場(chǎng)環(huán)境下旋轉(zhuǎn)剪切制備石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯制備領(lǐng)域，具體涉及一種在電場(chǎng)環(huán)境下旋轉(zhuǎn)剪切制備石墨烯的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)是單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳基新型納米材料，厚度僅有0.335nm。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈.K.海姆(Andre.K.Geim)等用一種極為簡(jiǎn)單的手撕剝離方法制備并觀測(cè)到了單層石墨烯晶體，因此獲得2010年物理諾貝爾獎(jiǎng)。
[0003]作為一種獨(dú)特的二維晶體，石墨烯有著優(yōu)異的機(jī)械性能、超高的熱導(dǎo)率和載流子迀移率及相對(duì)高的載流子飽和漂移速度，已經(jīng)在傳感器件、光電、能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)方面受到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，石墨烯在電子和光電子領(lǐng)域顯示出突出的優(yōu)勢(shì)，如石墨烯的熱導(dǎo)率是硅的36倍以上，是砷化鎵的100倍；其載流子迀移率為2 X 15Cm2.V—1.S—1，比硅快100倍，比砷化鎵快20倍，且不隨溫度變化；其光學(xué)損傷閾值比硅和砷化鎵高出3個(gè)數(shù)量級(jí)；其三階非線性系數(shù)更是達(dá)到了 ~10_7e.s.u.，比硅高4個(gè)數(shù)量級(jí)。石墨烯可以實(shí)現(xiàn)的光電功能非常豐富，其可以集光發(fā)射、傳導(dǎo)、調(diào)制和探測(cè)于一身。
[0004]目前制備石墨烯的方法主要有機(jī)械剝離石墨法、化學(xué)氧化還原法、超聲剝離法，氣相沉積法等。其中機(jī)械剝離法盡管可以獲得高質(zhì)量的石墨烯，但并不適合工業(yè)化生產(chǎn)?；瘜W(xué)氣相沉積法盡管可以獲得大面積的石墨烯，但其生產(chǎn)成本高?；瘜W(xué)還原法是指以氧化石墨為原料，利用化學(xué)還原劑進(jìn)行還原而得到石墨烯，該方法可以實(shí)現(xiàn)大量制備，但在還原過(guò)程中石墨烯極易被摻雜，影響石墨烯的質(zhì)量。而化學(xué)剝離法是在強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化的條件下，將石墨氧化、分散后得到層狀氧化石墨烯，再將其通過(guò)化學(xué)還原、電化學(xué)還原、高溫加熱、微波輻射等方法將其還原得到石墨烯。此方法雖然適用于規(guī)?；a(chǎn)，但是該方法得到的石墨烯比表面大小和表面結(jié)構(gòu)均不理想，制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用。陽(yáng)極氧化剝離是電化學(xué)剝離法的主要途徑之一，陽(yáng)極剝離是利用石墨在鋰離子水溶液、強(qiáng)酸性水溶液或大分子有機(jī)物溶液等電解液中，在電化學(xué)作用下使電解質(zhì)與石墨表層相互作用，剝離得到石墨烯。陽(yáng)極氧化雖然能夠較快地獲得石墨烯，但制備過(guò)程中容易導(dǎo)致石墨烯表面部分被氧化，使其含有部分含氧官能團(tuán)并具有一定的結(jié)構(gòu)缺陷，從而大大降低了石墨烯材料的電導(dǎo)率，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有石墨烯制備技術(shù)上存在的生長(zhǎng)成本高、使用高制毒性化學(xué)試劑、產(chǎn)率較低、設(shè)備儀器要求苛刻、不環(huán)保含氧官能團(tuán)多或具有較多結(jié)構(gòu)缺陷等技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種在電場(chǎng)環(huán)境下旋轉(zhuǎn)剪切制備石墨烯的裝置及其方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種在電場(chǎng)環(huán)境下旋轉(zhuǎn)剪切制備石墨烯的裝置，包括裝有鋰離子水溶液的反應(yīng)容器、作為陰極的高純石墨、作為陽(yáng)極的惰性電極、攪拌器和直流電源，所述惰性電極和所述高純石墨均浸置在所述鋰離子水溶液中，所述惰性電極和所述高純石墨分別與所述直流電源的正負(fù)極連接，所述反應(yīng)容器上方架設(shè)有所述攪拌器，所述攪拌器的攪拌桿垂直伸入所述鋰離子水溶液中。
[0007]一種在電場(chǎng)環(huán)境下旋轉(zhuǎn)剪切制備石墨烯的方法，采用上述裝置，是基于電化學(xué)剝離和旋轉(zhuǎn)剪切力剝離相結(jié)合的石墨烯制備法，具體包括以下步驟:
步驟I)將鋰離子水溶液作為電解液盛放在反應(yīng)容器中，在所述鋰離子水溶液中浸置有惰性電極和高純石墨，將所述惰性電極作為陽(yáng)極，所述高純石墨作為陰極，然后接通直流電源，并用攪拌器對(duì)所述鋰離子水溶液進(jìn)行攪拌；
步驟2)在恒定的電壓下，陰極極化剝離所述高純石墨，同時(shí)所述鋰離子水溶液在所述攪拌器作用下，受到一定的速度攪拌，使陰極剝離下來(lái)的多層石墨烯再受到一個(gè)剪切力，從而達(dá)到將多層石墨烯剝離成單層石墨烯的目的，制得含有石墨烯的溶液；
步驟3)然后將步驟2中得到的含有石墨烯的溶液清洗至少5次，超聲分散，低速離心； 步驟4)接著將步驟3中得到的產(chǎn)物的上層清液高速離心；
步驟5)最后將步驟4中得到的產(chǎn)物干燥即得到石墨烯。
[0008]進(jìn)一步的，所述惰性電極為鉑電極、金電極、銀電極、銅電極或石墨電極。
[0009]進(jìn)一步的，所述高純石墨為純度> 99.9%的純石墨棒、石墨片或者高定向熱解石里年、O
[0010]進(jìn)一步的，所述鋰離子水溶液為硫酸鋰溶液、硝酸鋰溶液或高氯酸鋰溶液中一種或任意組合。
[0011]進(jìn)一步的，所述攪拌器的攪拌速度為500-4500r/min。
[0012]本發(fā)明關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于利用陰極電化學(xué)剝離天然石墨，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)剪切力二次剝離從陰極脫落下來(lái)的石墨烯。結(jié)合這兩種原理制備石墨烯的方法既環(huán)保又實(shí)用，具有大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用前景。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種簡(jiǎn)便快捷，安全綠色，成本較低且能夠直接剝離天然石墨的石墨烯制備方法，它是基于電化學(xué)剝離和旋轉(zhuǎn)剪切力剝離相結(jié)合的制備石墨烯的方法。該方法改進(jìn)了傳統(tǒng)的電化學(xué)剝離制備石墨烯的技術(shù)，提高了制備石墨烯薄膜的產(chǎn)率與質(zhì)量。
[0014]1、本發(fā)明提供的方法與傳統(tǒng)的電化學(xué)方法相比，減少了反應(yīng)時(shí)間，對(duì)設(shè)備儀器要求較低，且反應(yīng)速率大幅提高，成本降低60%以上；
2、本發(fā)明的提供方法獨(dú)特之處，在于電解同時(shí)利用攪拌產(chǎn)生的剪切力，可以減少剝離的石墨稀厚度，提尚石墨稀質(zhì)量；
3、本發(fā)明可用于規(guī)?；a(chǎn)制備石墨烯；
4、本發(fā)明所獲得的石墨烯薄膜具有更低的缺陷密度，石墨烯表面沒(méi)有氧化基團(tuán)，且石墨稀薄膜質(zhì)量高；
5、本發(fā)明通過(guò)在鋰離子水溶液中制備石墨烯薄膜，避免了石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移，減少了大量有機(jī)化學(xué)試劑的使用，使整個(gè)過(guò)程更環(huán)保，更節(jié)能，更具實(shí)用性。
[0015]上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。
【附圖說(shuō)明】
[0016]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明制備石墨烯的裝置示意圖；
圖2為本發(fā)明制備的石墨烯在低倍鏡下的掃描電鏡(SEM)圖；
圖3為本發(fā)明制備的石墨烯在高倍鏡下的掃描電鏡(SEM)圖；
圖4為本發(fā)明制備的石墨稀的Raman光