一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，將石墨浸泡到插層劑中，使溶劑分子插層到石墨的層間，得到石墨層間化合物，即可膨脹石墨。然后將可膨脹石墨在氬氣的保護下快速加熱，石墨層間的溶劑分子體積急速變大膨脹，這個力大于石墨層間的范德華力，將石墨層間膨脹開，得到膨脹石墨。在得到膨脹石墨后利用超聲分散液相剝離法進行剝離篩選，得到石墨烯溶液，再經過抽濾、洗滌、烘干，得到石墨烯固體粉末。將石墨烯固體經超聲分散在二甲基亞砜溶液中，得到單層率高、分散均勻、易于與丙烯晴復合的石墨烯二甲基亞砜溶液。
【專利說明】—種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于石墨烯【技術領域】，具體涉及一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯(Graphene)是指一個C原子層厚度的石墨,碳原子之間由經sp2共價鍵連接呈六邊形網狀層面，被認為是富勒烯、碳納米管和石墨的基本結構單元，具有優異的電學、熱學、力學等性能，自2004年發現以來得到研究者的廣泛關注。其在復合材料、太陽能電池、傳感器等領域具有廣泛的應用前景，且有望在半導體領域代替硅材料，在下一代集成電路、儲能材料、柔性顯示材料、生物制藥、航空航天、環保材料、導熱材料、高強度鋼材等眾多領域具有廣闊的應用前景，是影響和引領新一輪產業革命的戰略性新材料。因此亟待尋求一種大量制備石墨烯的方法。 [0003]現有技術對石墨烯的制備方法包括物理方法和化學方法，每種方法各有優勢，同時也有各自的缺點。利用微機械脫落石墨的物理方法制備單晶石墨烯薄膜晶格缺陷少，性能優異，但該方法需要超高的溫度條件，工藝復雜，制備時間長，產量低等缺點，只限于實驗室基礎研究。模板外延法是在高溫和超高壓條件下，在單晶SiC表面外延生長制備石墨烯，這種制備方法可獲得大面積的石墨烯，但其成本較高、產物不易從基底上分離等因素極大地限制了該方法的推廣和應用。基于物理方法的局限性，化學方法因其產率高，成本低，亦可對石墨烯進行化學修飾的優勢引起了研究者的關注。該方法是在強酸和強氧化劑作用下對石墨粉進行氧化插層生成氧化石墨，再超聲剝離分散為單層制備成氧化石墨烯水溶膠，最后將其脫氧還原成石墨烯。其中，選擇合適的還原劑是研究者極為關注的問題。常用的還原劑有水合肼、對苯二酚、硼氫化鈉、還原性糖、鋁粉等，但水合肼和對苯二酚都有很強的毒性，對人體和環境有害；抗壞血酸雖是一種高效、環境友好型還原劑，然而其價格昂貴，不利于工業化大規模生產。
[0004]基于已有的技術，通過N-甲基吡咯烷酮進行插層加熱膨脹的石墨烯水溶液已經取得初步成功，但在部分工業用途中，水溶液不具備其它有機化合物的物質特性，無法滿足多樣化工業用途。
【發明內容】
[0005]為了克服以上現有技術的不足，本發明提供一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，利用N-甲基吡咯烷酮作為插層劑，選用天然石墨為原料，通過多次進行超聲制備均勻分散的單層石墨烯溶液，抽濾、洗滌、烘干得到石墨烯固體粉末，將石墨烯固體經超聲分散在二甲基亞砜溶液中，得到分散均勻的石墨烯二甲基亞砜溶液。
[0006]本發明是通過以下技術方案實現的:
一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，按照以下步驟進行:
(I)在-5、°c下將石墨加入到有機溶液中配置石墨溶液，充分攪拌30mirT2h，通過超聲使溶劑分子插層到石墨的層間，得到可膨脹石墨；
(2)將可膨脹石墨使用氬氣進行充分保護，在9(T100°C的溫度中充分加熱10mirT2h，得到膨脹石墨；
(3)利用超聲分散的液相剝離法對膨脹石墨進行剝離篩選，得到石墨烯溶液；
(4)再經過抽濾、洗滌、烘干，得到石墨烯固體粉末；
(5)將石墨烯固體經超聲分散在二甲基亞砜溶液中，得到分散均勻的石墨烯二甲基亞砜溶液。
[0007]與現有技術相比，本發明的優點在于用N-甲基吡咯烷酮插層加熱膨脹液相剝離法制得的產品可以制作成干粉或者分散于各種分散液，有利于與石油焦改性活性炭等多種材料復合。將石墨烯分散在二甲基亞砜中，利于石墨烯與丙烯腈復合，并作復合材料聚合反應中的加工溶劑和抽絲溶劑。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為石墨烯原子力顯微鏡圖片。
[0009]圖2為石墨烯高度分布圖。
[0010]圖3為石墨烯掃描電子顯微鏡示意圖。
【具體實施方式】:
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0011]實施例1
一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，按照以下步驟進行:
(I)配制100ml由十二烷基三苯基溴化膦與N-甲基吡咯烷酮以1:2的比例組成的溶液，在(TC的環境中將3g的600目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0012](2)在氬氣保護環境下，加熱至95°C并保溫30min，得到膨脹石墨。
[0013](3 )在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0014](4)對石墨烯溶液進行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。
[0015](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml 二甲基亞砜溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲Ih后使石墨烯均勻分散在二甲基亞砜溶液中，得到黑色單層石墨烯二甲基亞砜溶液。`
[0016]實施例2
一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，按照以下步驟進行:
(I)配制100ml由十二烷基三苯基溴化膦與N-甲基吡咯烷酮以2:1的比例組成的溶液，在(TC的環境中將3g的600目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0017](2)在氬氣保護環境下，加熱至95°C并保溫30min，得到膨脹石墨。[0018](3 )在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0019](4)對石墨烯溶液進行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。
[0020](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml 二甲基亞砜溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲Ih后使石墨烯均勻分散在二甲基亞砜溶液中，得到黑色單層石墨烯二甲基亞砜溶液。
[0021]實施例3
一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，按照以下步驟進行:
(I)取100ml十二烷基三苯基溴化膦溶液，在0°C的環境中將3g的600目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0022](2)在氬氣保護環境下，加熱至95°C并保溫30min，得到膨脹石墨。
[0023](3)在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0024](4)對石墨烯溶液進行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。
[0025](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml 二甲基亞砜溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲Ih后使石墨烯均勻分散在二甲基亞砜溶液中，得到黑色單層石墨烯二甲基亞砜溶液。
[0026]實施例4
一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，按照以下步驟進行:
(I)取100ml N-甲基吡咯烷酮溶液，在0°C的環境中將3g的600目天然石墨粉浸泡至溶液中，并超聲90min使溶劑分子插層到石墨分子間，得到可膨脹石墨。
[0027](2)在氬氣保護環境下，加熱至95°C并保溫30min，得到膨脹石墨。
[0028](3)在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對膨脹石墨溶液進行超聲剝離90min后，得到黑色單層石墨烯溶液。
[0029](4)對石墨烯溶液進行抽濾，濾餅用2%稀鹽酸洗滌2次，去離子水洗至中性后，60°C烘箱中烘干4h得到黑色石墨烯固體粉末。
[0030](5)將制得石墨烯固體粉末分散在100ml 二甲基亞砜溶液中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超 聲Ih后使石墨烯均勻分散在二甲基亞砜溶液中，得到黑色單層石墨烯二甲基亞砜溶液。
[0031]在單層石墨烯二甲基亞砜溶液的制備過程中，選用N-甲基吡咯烷酮作為插層劑對石墨剝離成單層石墨烯的效果較好，單層率高達99%以上，易于石墨烯分散在其他有機溶劑中。最后，利用原子力電子顯微鏡圖1-2所示，和掃描電子顯微鏡圖3所示，對石墨烯的形貌和結構進行了表征。石墨烯的原子力顯微鏡圖1所示，表明單層石墨烯層是平整和平滑的，厚度圖2所示，約為0.5-1.0nm。同時，石墨烯的掃描電子顯微鏡圖片圖3所示，進一步證實了石墨烯的薄層形貌。
【權利要求】
1.一種單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，按照以下步驟進行: (1)在-5、°c下將石墨加入到有機溶液中配置石墨溶液，充分攪拌30mirT2h，通過超聲使溶劑分子插層到石墨的層間，得到可膨脹石墨溶液； (2)將可膨脹石墨使用氬氣進行充分保護，在8(T90°C的溫度中充分加熱20mirTlh，得到膨脹石墨； (3)利用超聲分散的液相剝離法對膨脹石墨進行剝離篩選，得到石墨烯溶液； (4)再經過抽濾、洗滌、烘干，得到石墨烯固體粉末； (5)將石墨烯固體經超聲分散在二甲基亞砜溶液中，得到分散均勻的石墨烯二甲基亞砜溶液。
2.根據權利要求1所述的單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的有機溶液為十二烷基三苯基溴化膦或N-甲基吡咯烷酮中的一種或兩種。
3.根據權利要求1所述的單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，所述的石墨為400~1000目的天然石墨粉。
4.根據權利要求1所述的單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的石墨溶液濃度為0.5%~5%。
5.根據權利要求1所述的單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的超聲為在工作頻率45kHz，功率160W作用下，超聲30mirT2h。
6.根據權利要求1所述的單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的超聲分散的液相剝離法為在工作頻率60kHZ，功率160W作用下，對現有膨脹石墨溶液進行超聲剝離30mirT2h。
7.根據權利要求1所述的單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述的抽濾、洗滌、烘干為將石墨烯溶液進行抽濾，得到的濾餅用2%稀鹽酸洗滌1飛次，抽濾的濾餅再用去離子水洗滌至中性，抽濾后，在60°C烘箱中烘干2~12h。
8.根據權利要求1所述的單層石墨烯二甲基亞砜溶液制備方法，其特征在于，步驟(5)中所述的將石墨烯固體經超聲分散在二甲基亞砜溶液中為將得到的單層石墨烯固體添加到二甲基亞砜溶劑中，在工作頻率60kHZ，功率160W作用下超聲30mirT2h，使石墨烯均勻分散在二甲基亞砜溶液中。
【文檔編號】C01B31/04GK103723711SQ201310591580
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】王云峰, 李曉斐 申請人:鹽城納新天地新材料科技有限公司