石墨剥离方法技术

本发明专利技术公开了一种制备少层石墨烯纳米片的含水分散体的方法，所述方法包括：(a)在含水液体中将石墨颗粒与全氟磺酸盐离聚物混合，以形成石墨颗粒的含水分散体；以及(b)超声处理所述石墨颗粒的含水分散体，以形成少层石墨烯纳米片的含水分散体，其中所述全氟磺酸盐离聚物作为连续薄层设置在所述少层石墨烯纳米片上。本发明专利技术还公开了一种组合物，其包含以下物质的混合物的含水分散体：(a)全氟磺酸盐离聚物和(b)多个少层石墨烯纳米片，其中所述全氟磺酸盐离聚物作为连续薄层设置在所述少层石墨烯纳米片上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开整体涉及用于剥离石墨以制备少层石墨烯的含水分散体的方法。具体地讲，本公开涉及用于剥离石墨以在氟化磺酸盐离聚物的存在下制备少层石墨烯纳米片的含水分散体的方法。
技术介绍
如本领域通常所用，术语“石墨烯”是指定位在蜂巢晶格中的sp2-键合碳原子的单原子厚平面片。术语“石墨烯”在本领域中有时还用于指具有较少石墨烯层和类似性质的结构。石墨烯与众不同的结构赋予其多种独特的机械、电子、热、光学和磁性特性。据报道，石墨烯具有高电子迁移率，在室温下最高达2×105cm2V-1s-1。理论上讲，这是由于电子容易移动贯穿晶格，晶格无缺陷和杂原子。据报道，石墨烯的导热率显著增大，甚至大于碳纳米管和金刚石的测定导热率。此特性组合使石墨烯有望成为取代硅的候选物，在半导体工业中作为新一代材料。石墨烯在电子和光电领域也可能具有广泛的潜在应用，诸如场效应晶体管、发光二极管、太阳能电池、传感器和平板显示器。理论预测和实验均证明，石墨烯的尺寸、组成和边缘几何形状都是重要的因素，由于强量子限制和边缘效应，这些因素确定了石墨烯的总体电子、磁性以及光学和催化性质。例如，据报道，通过将石墨烯片切成长而窄的带状物(GNR)(宽度小于10nm)，可在石墨烯中诱导直接带隙，其赋予GNR半导电性(M.Y.Han等人，《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.)，2007年，第98卷，第206805-206808页)。据报道，基面上的进一步限制(总尺寸小于100nm)可产生零维石墨烯量子点(“GQD”)。受到抑制的超精细相互作用和弱自旋轨道耦合使GQD成为用于未来量子信息技术的具有长相干时间的自旋“量子位元”的有力候选(A.Donarini等人，《纳米快报》(NanoLett.)，2009年，第9卷，第2897-2902页)。据报道，纳米带或量子点形式的小横向尺寸石墨烯片可有效调谐石墨烯的带隙，并有利于纳米电子设备中石墨烯的横向剥落。在该上下文中，已变得亟需开发用于定制石墨烯结构的有效方法(J.Lu等人，《自然纳米技术》(Nat.Nanotechnol.)，2011年，第6卷，第247-252页，以及L.APonomarenko等人，《科学》(Science)，2008年，第320卷，第356-358页)。目前，存在多种可能的石墨烯片加工方法，包括化学气相沉积、微机械剥离、外延生长和化学剥离。与其它技术相比，化学剥离涉及诸如氧化石墨、膨胀石墨和天然石墨等各种固体起始物质的直接剥离，就简易性、成本和大量生产而言是有利的。然而，目前研究的化学溶液剥离法具有很多需要解决的缺陷。最常用的化学剥离法利用将石墨化学氧化为带负电的氧化石墨片，该氧化石墨片在水中易于通过超声作用剥离为单独的氧化石墨烯片。为了恢复石墨烯的独特特性，通过化学还原移除含氧基团；然而在不存在电荷的情况下，还原石墨烯片之间的强范德华相互作用导致它们立即聚结和再堆叠。最近的发现显示，由于保留在片表面上的带负电的羧酸基团会发生静电排斥，因此在水溶液中加入氨气可形成石墨烯的稳定含水分散体。防止石墨烯聚集的其它尝试主要集中于使用分散剂相(通常是表面活性剂)涂覆氧化石墨烯表面，从而在纳米片之间产生弱排斥。已知化学剥离法的另一个缺点是，所用的很多化学品昂贵或有毒，需要谨慎处理，是环境不友好且不可持续的方法。此外，大多数化学溶液剥离法涉及极其耗时的多个步骤，有时要持续几天。例如，氧化石墨烯中存在的氧化物缺陷可通过热还原或化学还原与热还原的组合消除，这在处理工序中添加了另外的步骤。此外，在约1000℃下执行热还原最成功，此温度不适于许多应用。因此，研究了克服上述障碍并可以形成高质量石墨烯的替代工艺。迄今为止，取得了一些进展。据称Coleman等人已证实自然纳米技术(《NatureNanotechnology》，2008，第3卷，第563-568页)，可通过审慎选择确保溶剂与石墨烯表面之间具有强相互作用的溶剂来剥离石墨，以制备单层和少层石墨烯。然而，该工艺的收率低，不适合大规模生产。据报道，在有机溶剂中直接剥离石墨烯提高收率，但这仅在持续时间或延长的超速离心中持续接近3周的延长的超声时间后实现。Liu等人报告(《化学通讯》(Chem.Commun.)，2010年，第46卷，第2844-2846页)，可通过在单链DNA存在的情况下使用超声处理从石墨薄片直接剥离来制备单层和双层石墨烯片。Wang等人(《化学通讯》(ChemCommun.)，2010年，第46卷，第2844-2846页)和Frazier等人(WO2010/065346)也已报告，在离子液体中通过超声处理利用石墨制备石墨烯片。然而，这些技术制备的石墨烯片仍然包含大量氧(例如，大于10原子百分比)，与从氧化石墨烯还原得到的石墨烯中发现的氧类似。使石墨烯中包含少量氧难以实现，并且可显著影响石墨烯的特性和应用。因此，期望得到能够制备高质量石墨烯片的替代工艺。制备适于例如制造用于电子设备的透明导电膜的石墨烯分散体的实用高收率石墨剥离方法仍然是一项挑战。
技术实现思路
本公开提供将石墨直接剥离成非常稳定的少层石墨烯片含水分散体的简单且可扩展的方法，其中分散体包括全氟磺酸盐离聚物。在第一方面，本公开提供制备少层石墨烯纳米片含水分散体的方法，该方法包括：(a)在含水液体中将石墨颗粒与全氟磺酸盐离聚物混合，以形成石墨颗粒的含水分散体；以及(b)超声处理石墨颗粒的含水分散体，以形成少层石墨烯纳米片的含水分散体，其中全氟磺酸盐离聚物作为连续薄层设置在少层石墨烯纳米片上。在第二方面，本公开提供(a)多个少层石墨烯纳米片和(b)全氟磺酸盐离聚物的混合物的含水分散体；其中全氟磺酸盐离聚物作为连续薄层设置在多个少层石墨烯纳米片的少层石墨烯纳米片上。在第三方面，本公开提供形成涂覆制品的方法，该方法包括提供基底，以及将第二方面的含水分散体施加到基底上。本公开的上述
技术实现思路
并非旨在描述本专利技术的每个实施方案。本专利技术的一个或多个实施方案的细节也在下面的说明书中说明。根据说明书和权利要求书，本专利技术的其它特征、对象和优点将显而易见。具体实施方式在以下具体实施方式中，描述了各组数值范围(例如，特定部分中的碳原子数的数值范围、特定组分的量的数值范围等等)，并且在每组数值范围内，范围的任何下限都可与范围的任何上限配对。这种数值范围另外旨在包括包含在该范围内的所有数值(例如，1至5包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备少层石墨烯纳米片的含水分散体的方法，所述方法包括：(a)在含水液体中将石墨颗粒与全氟磺酸盐离聚物混合，以形成石墨颗粒的含水分散体；以及(b)超声处理所述石墨颗粒的含水分散体，以形成少层石墨烯纳米片的含水分散体；其中所述全氟磺酸盐离聚物作为连续薄层设置在所述少层石墨烯纳米片上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.19 US 61/918,3451.一种制备少层石墨烯纳米片的含水分散体的方法，所述方法包括：
(a)在含水液体中将石墨颗粒与全氟磺酸盐离聚物混合，以形成石墨
颗粒的含水分散体；以及
(b)超声处理所述石墨颗粒的含水分散体，以形成少层石墨烯纳米片
的含水分散体；
其中所述全氟磺酸盐离聚物作为连续薄层设置在所述少层石墨烯纳
米片上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述超声处理前，所述石墨颗
粒的含水分散体中所述石墨颗粒的浓度相对于所述石墨颗粒的含水
分散体的总体积在0.5mg/mL至5mg/mL的范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在所述超声处理
前，所述全氟磺酸盐离聚物与所述石墨颗粒的含水分散体中所述石
墨颗粒的重量比在0.1:1至10:1的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述少层石墨烯纳
米片的含水分散体还包含水混溶性溶剂。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述水混溶性溶剂
是C1至C4醇。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述水混溶性溶剂是乙醇。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中所述少层石墨烯纳米
片的含水分散体中所述乙醇与水的体积比在0.5:1至1.5:1的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述超声处理进行
不超过24小时。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述少层石墨烯纳
米片的所述含水分散体在所述超声处理后保持分散至少一个月的时
间段。
10.根据权利要求1至9中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·朱利由斯，M·金，R·迪维加尔皮蒂亚，G·A·科尔巴，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US