本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯的制備，主要用于合成石墨烯。

背景技術(shù)：

石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，由于其優(yōu)異的熱學(xué)性能、力學(xué)性能、電學(xué)性能、機械性能和其他性能受到人們的廣泛關(guān)注，其中單層石墨烯的理論比表面積達(dá)到2650m²/g，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到5300w/m·k，室溫下電子遷移率達(dá)到15000cm²/v·s，被全世界的科研工作者廣泛研究，石墨烯材料被應(yīng)用在晶體管、鋰電池、超級電容器、傳感器、光電器件、水污染處理、柔性顯示器等，均具有巨大的潛在研究和應(yīng)用價值。

隨著人們研究的深入，各種各樣的制備方法也隨之被人們開發(fā)出來，其中比較具有代表性的有微機械剝離、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長法、化學(xué)合成法等。其中微機械剝離法是用膠帶反復(fù)粘結(jié)、剝離高度定向熱解石墨，再轉(zhuǎn)移到基底材料表面上，這種方法操作復(fù)雜，產(chǎn)量極低，不利于推廣和應(yīng)用；氧化還原法石墨烯容易有結(jié)構(gòu)缺陷、耗時長、所用有機溶劑毒性大、安全性低；化學(xué)氣相沉積法對設(shè)備要求高、工藝復(fù)雜且難以控制，成本太高；外延生長法單晶sic價格昂貴，制備條件茍刻，需要在高溫高真空下進(jìn)行，從基底轉(zhuǎn)移困難；相比之下，化學(xué)合成法反應(yīng)步驟復(fù)雜、費力耗時，催化劑會污染環(huán)境，且合成的石墨烯容易有結(jié)構(gòu)缺陷，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，人們一直致力于找到一種操作簡單、無環(huán)境污染、生產(chǎn)成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)的方法，以實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

science與2004年306期666-669頁報道了單層碳薄膜的電場效應(yīng)，文章中初次報道了石墨烯這種現(xiàn)在舉世矚目的材料，制備方法是用膠帶反復(fù)粘結(jié)、剝離高度定向熱解石墨，再轉(zhuǎn)移到基底材料表面上，首次得到了單層石墨烯。中國發(fā)明專利cn104386684b提出了一種制備石墨烯的新方法，即將農(nóng)林廢棄物、茶葉和海藻類植物中的一種或幾種生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理清洗干凈，然后加入金屬催化劑、溶劑在生物質(zhì)上負(fù)載金屬催化劑，再加入造孔劑高溫碳化得到石墨烯。這種方法得到的石墨烯由于原料結(jié)構(gòu)不確定而且原料不同，產(chǎn)物變化較大，不能得到確定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的石墨烯。中國發(fā)明專利cn102701193b提出了采用濕法制備和干法制備兩種方法，將碳素材料、磁性鋼針研磨體和溶劑，放入研磨容器中，密閉；將容器置入具有變換磁場的空間內(nèi)，進(jìn)行剝離，剝離后制得石墨納米微片-石墨烯的混合物，分離得到石墨烯。該方法得到的石墨烯不純分離不方便，而且制備過程耗時較長，對設(shè)備要求較高。

綜上所述，制備石墨烯的方法很少，能夠生產(chǎn)的就更加稀少，尋找操作簡單，性能穩(wěn)定，可批量生產(chǎn)石墨烯的方法仍是巨大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種新的在溫和條件下制備石墨烯材料的方法，該方法步驟簡單，操作方便，對環(huán)境友好，利于工業(yè)化生產(chǎn)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種制備石墨烯的方法，該方法包括如下步驟：

1）將糖類和金屬硝酸鹽水合物溶解于去離子水溶劑中，然后于150－300℃水熱反應(yīng)0.1－3h，反應(yīng)結(jié)束得到蓬松的固體產(chǎn)物，碾壓成粉末得到模板碳材料，其中，糖類和金屬硝酸鹽水合物的質(zhì)量比為0.1－2：0.5－3；

2）將模板碳材料在惰性氣體氛圍（如n2環(huán)境）下于300－1000℃碳化1－6h，得到石墨烯材料，然后用酸溶液浸泡除去模板，經(jīng)洗滌、干燥即得到石墨烯。

具體的，步驟1）中，所述糖類為乳糖、麥芽糖、半乳糖和蔗糖中的一種或兩種以上的混合物。

具體的，步驟1）中，所述金屬硝酸鹽水合物為六水合硝酸鋅、六水合硝酸鎳、六水合硝酸鈷和六水合硝酸鎂中的一種或兩種以上的混合物。

進(jìn)一步的，步驟2）中，浸泡時所用酸溶液優(yōu)選為濃度5－15%的稀鹽酸、稀硫酸和稀硝酸中的任意一種或兩種以上的混合物，浸泡時間為2－8h。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益成果如下：

1）本發(fā)明中制備石墨烯的碳源首次選用乳糖、麥芽糖、半乳糖、蔗糖等糖類；

2）本發(fā)明制備石墨烯的工藝較為簡單，可重復(fù)性強、得到產(chǎn)物較多、反應(yīng)條件容易達(dá)到，對設(shè)備要求低，在很大程度上降低生產(chǎn)成本；

3）采用本發(fā)明方法制備所得的石墨烯是一種三維片層多孔洞石墨烯材料，且具有較好的熱穩(wěn)定性和水溶性，產(chǎn)量較高，容易工業(yè)化批量生產(chǎn)。

附圖說明：

圖1是實施例1水熱反應(yīng)前溶液和得到的最終產(chǎn)物的照片；

圖2是實施例1制備得到的石墨烯的傅里葉變換紅外光譜圖；

圖3是實施例1制備得到的石墨烯的拉曼光譜圖；

圖4是實施例1制備得到的石墨烯的掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳細(xì)介紹，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此。

實施例1

一種制備石墨烯的方法，具體為：將0.5g乳糖和1.0g六水合硝酸鋅在100ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到5ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉(zhuǎn)移到烘箱中于220℃水熱反應(yīng)0.5h，反應(yīng)結(jié)束得到蓬松的固體產(chǎn)物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環(huán)境下600℃碳化2h，得到石墨烯材料，再用10%稀鹽酸浸泡6h以除去模板，分別用乙醇、去離子水清洗，離心收集，干燥12h，即得到最終的0.1g石墨烯。

圖1是實施例1水熱反應(yīng)前后對比照片，圖中可以明顯看出：產(chǎn)物是固體粉末樣，樣品均一性良好，樣品量較大。

圖2是實施例1制備得到的石墨烯的傅里葉變換紅外光譜圖，圖中3430cm^-1對應(yīng)的是-nh-鍵的共振吸收峰，1614cm^-1對應(yīng)的譜帶是c-n的共吸收峰，1400cm^-1和1264cm^-1對應(yīng)的譜帶是芳香環(huán)的共振吸收峰，波譜分析說明制備所得的樣品是氮摻雜的碳材料。

圖3實施例1制備得到的石墨烯拉曼光譜圖，拉曼光譜主要有三個峰，g峰1584.58cm^-1和2d峰2800cm^-1顯示了材料石墨烯結(jié)構(gòu)的特點，d峰為1352.59cm^-1表明樣品是多缺陷的石墨烯，id/ig=0.921也證明了這一點。拉曼表明樣品為多缺陷的石墨烯材料。

圖4是實施例1制備得到的石墨烯材料的掃描樣，可以看出樣品結(jié)構(gòu)為三維多孔片層材料。

實施例2

一種制備石墨烯的方法，具體為：將0.5g麥芽糖和1.5g六水合硝酸鋅在100ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到5ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉(zhuǎn)移到烘箱中220℃水熱反應(yīng)0.5h，反應(yīng)結(jié)束得到蓬松的固體產(chǎn)物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環(huán)境下600℃碳化2h，得到石墨烯材料，再用10%稀硫酸浸泡6h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥12h，即得到最終的0.1g石墨烯。

實施例3

一種制備石墨烯的方法，具體為：將1.2g半乳糖和1.8g六水合硝酸鎳在500ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到20ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉(zhuǎn)移到烘箱中260℃水熱反應(yīng)1h，反應(yīng)結(jié)束得到蓬松的固體產(chǎn)物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環(huán)境下800℃碳化1h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡8h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥18h，即得到最終的0.24g石墨烯。

實施例4

一種制備石墨烯的方法，具體為：將2g蔗糖和2.5g六水合硝酸鈷在500ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到20ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉(zhuǎn)移到烘箱中280℃水熱反應(yīng)3h，反應(yīng)結(jié)束得到蓬松的固體產(chǎn)物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環(huán)境下400℃碳化4h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡3h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥8h，即得到最終的0.4g石墨烯。

實施例5

一種制備石墨烯的方法，具體為：將0.2g乳糖和0.8g六水合硝酸鎂在100ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到5ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉(zhuǎn)移到烘箱中240℃水熱反應(yīng)2h，反應(yīng)結(jié)束得到蓬松的固體產(chǎn)物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環(huán)境下600℃碳化3h，得到石墨烯材料，再用15%稀鹽酸浸泡6h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥12h，即得到最終的0.04g石墨烯。

實施例6

一種制備石墨烯的方法，具體為：將1.0g乳糖和3g六水合硝酸鋅在200ml的燒杯中超聲條件下均勻分散到10ml的去離子水溶劑中，保證完全溶解，溶液澄清透明；將燒杯轉(zhuǎn)移到烘箱中240℃水熱反應(yīng)1h，反應(yīng)結(jié)束得到蓬松的固體產(chǎn)物，碾壓成粉末得到模板碳材料。將模板碳材料在n2環(huán)境下600℃碳化31h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡6h，分別用乙醇、去離子水清洗、離心收集、干燥12h，即得到最終的0.2g石墨烯。