薄層氧化石墨烯材料的製備方法
2023-09-20 00:01:05
專利名稱：薄層氧化石墨烯材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種石墨烯材料的製備方法，特別涉及一種薄層氧化石墨烯材料的製備方法。
背景技術：
石墨烯(graphene)是有單層碳原子緊密堆積成的二位蜂窩狀晶格結構的一種新型碳材料，是構成富勒烯、碳納米管、石墨的基本結構基元。由於有著獨特的力學、量子和電學性質，已經成為材料科學領域最為活躍的研究前沿。目前，石墨烯的製備方法主要有機械剝離法、外延晶體生長、化學氣相沉積法、化學氧化還原法等。其中化學氧化還原法大都採用不同尺寸的大塊石墨為原料。此方法雖然能夠以相對較低的成本製備出大量的石墨烯，然而同時也伴有製備條件苛刻，耗時長，不易操作等不利因素限制。因此，要拓展石墨烯的應用領域，尋找一種操作簡單、成本低廉的石墨烯製備方法尤為迫切。·
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種用於製備薄層氧化石墨烯材料的簡單方法，其所需設備簡單、易於操作、成本低廉，節約能源、有利於規模化生產，從而克服了現有技術中的不足。為實現上述發明目的，本發明採用了如下技術方案:一種薄層氧化石墨烯材料的製備方法，包括:取石墨烯微片至少與酸溶劑混合反
應，獲得薄層氧化石墨烯。進一步的，該製備方法還可包括:石墨烯微片與酸溶劑和氧化劑混合均勻反應，獲
得薄層氧化石墨烯。又及，在該製備方法中，還可以通過HCl和/或水等，並採用離心洗滌等方法清洗所獲薄層氧化石墨烯至中性，再經超聲等處理後得到目標產物。進一步的，該方法還可包括:將所述薄層氧化石墨烯與還原劑混合進行還原反應，獲得還原的薄層氧化石墨烯。其中，所述酸溶劑可選自但不限於發煙硫酸、濃硫酸、濃硝酸、氯磺酸、氟磺酸或三氟甲磺酸；所述氧化劑可選自但不限於高錳酸鹽、高鐵酸鹽、鋨酸鹽、釕酸鹽、氯酸鹽、亞氯酸鹽、硝酸鹽、四氧化鋨、四氧化釕或二氧化鉛。作為較為優選的實施方案之一，當所述氧化劑和酸溶劑分別為高錳酸鉀和濃硫酸時，所述石墨稀微片、濃硫酸與聞猛酸鐘的質量比為1: 30 90:1 8。作為較為優選的實施方案之一，當所述氧化劑和酸溶劑分別為濃硝酸和濃硫酸時，所述石墨烯微片、濃硫酸、濃硝酸的質量比為1: 30 90: 70 210。
作為較為優選的實施方案之一，前述石墨烯微片與酸溶劑混合反應的條件包括:溫度為0°c至90°C，優選為室溫至90°C，反應時間為I 4h。所述還原劑可選自但不限於肼、碘化物、膦、亞磷酸鹽、硫化物、亞硫酸鹽、亞硫酸氫鹽、硼氫化物、氰基硼氫化物、氫化鋁、硼烷、羥胺、二亞胺、還原金屬或氫氣。作為較為優選的實施方案之一，所述還原反應的條件包括:溫度為90°C 100°C，反應時間為Ih 50h。作為較為優選的實施方案之一，該方法還可包括:將薄層氧化石墨烯或還原的薄層氧化石墨烯均勻分散於溶劑中，獲得穩定分散的薄層氧化石墨烯分散液或還原的薄層氧化石墨烯分散液。作為較為優選的實施方案之一，所述薄層氧化石墨烯分散液中所含薄層氧化石墨烯與溶劑的體積比為I 5: 5 25，還原的薄層氧化石墨烯分散液中所含還原的薄層氧化石墨烯與溶劑的體積比為I 5: 5 25。其中，所述溶劑可選自但不限於水、水溶液或有機溶劑，所述水溶液可選自但不限於pH值為8 12的鹼液，所述有機溶劑可選自但不限於乙醇、甲醇、丙酮、乙腈、乙二醇，乙酸、甲酸、乙酸乙酯、批啶或甲苯。前述石墨烯微片尺寸大小為50nm至500mm,厚度為0.34nm至50nm。前述薄層氧化石墨烯和還原的薄層氧化石墨烯的形式可以是粉體，也可以是溶液，而其尺寸大小可以為50nm至500mm,厚度為0.34nm至50nm。與現有技術相比，本發明至少具有如下有益效果:(I)採用石墨烯微片作為原料，由於其易於分散，比表面積大，易被氧化，製備的氧化石墨烯氧化程度很高；(2)採用石墨烯微片作為原料，可以有效地減少酸溶劑和氧化劑的用量，從而有效地節約了原料的消耗；(3)採用石墨烯微片作為原料，通過改變酸溶劑和氧化劑的用量，可以有效地控制氧化石墨烯的氧化程度，從而滿足不同應用的需求；(4)採用石墨烯微片作為原料，可以有效地降低對製備條件的要求，在室溫下短時間內就能完成高氧化度的氧化石墨烯的製備，從而有效地節約了能源；(5)整個製備方法所需反應溫度低、操作安全、工藝簡單、成本低廉、產率較高，易於實現規模化工業生產。
圖1是實施例1至實施例5所獲得薄層氧化石墨烯材料的UV-vis圖譜。圖2是實施例1至實施例4所獲得薄層氧化石墨烯材料的水分散液圖片，其中:a為 K-1.25，b 為 K-1.5，c 為 K-2，d 為 K-3 ;圖3是實施例1至實施例4所獲薄層氧化石墨烯材料在鹼液(pH= 9)中的分散液圖片，其中:a為K-1.25，b為K-1.5，c為K-2，d為K-3。
具體實施方式
以下結合附圖及若干較佳實施例對本發明的技術方案作進一步地詳細描述。
實施例1(I)氧化石墨烯的製備取0.2g的石墨烯微米片與IOmL的濃硫酸在室溫下均勻混合，再在室溫水浴中緩慢加入0.6g的高錳酸鉀，再在室溫下攪拌反應2h，然後加入5% HCl去除未反應的高錳酸鉀，再用蒸餾水清洗至中性，得粘稠狀的氧化石墨烯，編號為K-3 ；(2)氧化石墨烯分散液的製備用吸管吸取ImL的粘稠狀氧化石墨烯，加入到IOmL蒸餾水或者鹼液(pH = 9)中，在500W下超聲30min得均一穩定的分散液。實施例2(1)氧化石墨烯的製備取0.2g的石墨烯微米片與IOmL的濃硫酸在室溫下均勻混合，再在室溫水浴中緩慢加入0.4g的高錳酸鉀，再在室溫下攪拌反應2h，然後加入5% HCl去除未反應的高錳酸鉀，再用蒸餾水清洗至中性，得粘稠狀的氧化石墨烯，編號為K-2 ；(2)氧化石墨烯分散液的製備用吸管吸取ImL的粘稠狀氧化石墨烯，加入到IOmL蒸餾水或者鹼液(pH = 9)中，在500W下超聲30min得均一穩定的分散液。實施例3(I)氧化石墨烯的製備取0.2g的石墨烯微米片與IOmL的濃硫酸在室溫下均勻混合，再在室溫水浴中緩慢加入0.3g的高錳酸鉀，再在室溫下攪拌反應2h，然後加入5% HCl去除未反應的高錳酸鉀，再用蒸餾水清洗至中性，得粘稠狀的氧化石墨烯，編號為K-1.5 ；(2)氧化石墨烯分散液的製備用吸管吸取ImL的粘稠狀氧化石墨烯，加入到IOmL蒸餾水或者鹼液(pH = 9)中，在500W下超聲30min得均一穩定的分散液。實施例4(I)氧化石墨烯的製備取0.2g的石墨烯微米片與IOmL的濃硫酸在室溫下均勻混合，再在室溫水浴中緩慢加入0.25g的高錳酸鉀，再在室溫下攪拌反應2h，然後加入5% HCl去除未反應的高錳酸鉀，再用蒸餾水清洗至中性，得粘稠狀的氧化石墨烯，編號為K-1.25 ；(2)氧化石墨烯分散液的製備用吸管吸取ImL的粘稠狀氧化石墨烯，加入到IOmL蒸餾水或者鹼液(pH = 9)中，在500W下超聲30min得均一穩定的分散液。實施例5(I)氧化石墨烯的製備取0.2g的石墨烯微米片與IOmL的濃硫酸在室溫下均勻混合，再在室溫水浴中緩慢加入0.2g的高錳酸鉀，再在室溫下攪拌反應2h，然後加入5% HCl去除未反應的高錳酸鉀，再用蒸餾水清洗至中性，得黑色蓬鬆產物，編號為K-1。本發明的化學氧化製備氧化石墨烯的方法改善了氧化石墨烯的製備工藝，為之後製備氧化石墨烯及其分散液、透明導電膜等提供了便利，使進一步製備石墨烯及其複合材料和氧化石墨烯複合材料的工藝更簡便，具有極為重要的實際應用價值。本發明的核心是利用石墨烯微片通過化學氧化的方式製備氧化石墨烯，因此，在本發明原理的基礎上，利用石墨烯微片通過化學氧化的方式製備氧化石墨烯，進而製備分散液、石墨烯、透明導電膜的方法，均屬於本發明的保護範圍。綜述之，以上說明、圖紙及實施例不可解析為對限定本發明的設計思想。在本發明的知識領域裡持相同知識者可以對本發明的技術思想以多樣的形態的改良，這樣的改良及變更也應屬本發明 的保護範圍。
權利要求
1.一種薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，包括:取石墨烯微片至少與酸溶劑混合反應，獲得薄層氧化石墨烯。
2.根據權利要求1所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，包括:石墨烯微片與酸溶劑和氧化劑混合均勻反應，獲得薄層氧化石墨烯。
3.根據權利要求1或2所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，該方法還包括:將所述薄層氧化石墨烯與還原劑混合進行還原反應，獲得還原的薄層氧化石墨烯。
4.根據權利要求1所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，所述酸溶劑包括發煙硫酸、濃硫酸、濃硝酸、氯磺酸、氟磺酸或三氟甲磺酸； 所述氧化劑包括高錳酸鹽、高鐵酸鹽、鋨酸鹽、釕酸鹽、氯酸鹽、亞氯酸鹽、硝酸鹽、四氧化鋨、四氧化釕或二氧化鉛。
5.根據權利要求1或4所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，當所述氧化劑和酸溶劑分別為高錳酸鉀和濃硫酸時，所述石墨烯微片、濃硫酸與高錳酸鉀的質量比為 1: 30 90: I 8 ; 或者，當所述氧化劑和酸溶劑分別為濃硝酸和濃硫酸時，所述石墨烯微片、濃硫酸、濃硝酸的質量比為1: 30 90: 70 210。
6.根據權利要求1所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，混合反應的條件包括:溫度為0°C至90°C，反應時間為I 4h。
7.根據權利要求3所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，所述還原劑包括肼、碘化物、膦、亞磷酸鹽、硫化物、亞硫酸鹽、亞硫酸氫鹽、硼氫化物、氰基硼氫化物、氫化鋁、硼烷、羥胺、二亞胺、還原金屬或氫氣。
8.根據權利要求3所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，所述還原反應的條件包括:溫度為90°C 100°C，反應時間為Ih 50h。
9.根據權利要求1或2所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，該方法還包括:將薄層氧化石墨烯或還原的薄層氧化石墨烯均勻分散於溶劑中，獲得穩定分散的薄層氧化石墨烯分散液或還原的薄層氧化石墨烯分散液。
10.根據權利要求9所述的薄層氧化石墨烯材料的製備方法，其特徵在於，所述薄層氧化石墨烯分散液中所含薄層氧化石墨烯與溶劑的體積比為I 5: 5 25，還原的薄層氧化石墨烯分散液中所含還原的薄層氧化石墨烯與溶劑的體積比為I 5: 5 25 ; 所述溶劑包括水、水溶液或有機溶劑，所述水溶液包括pH值為8 12的鹼液,所述有機溶劑包括乙醇、甲醇、丙酮、乙腈、乙二醇，乙酸、甲酸、乙酸乙酯、卩比啶或甲苯。
全文摘要
本發明公開了一種薄層氧化石墨烯材料的製備方法。作為其中較為優選的實施方案之一，該製備方法可以包括以下步驟將石墨烯微片和酸溶劑、氧化劑充分混合均勻，設定溫度下反應，洗滌至中性超聲後即得薄層氧化石墨烯。進一步的，將該薄層氧化石墨烯中加入還原劑進行還原反應後得到還原的薄層氧化石墨烯。更進一步的，還可將所獲薄層氧化石墨烯及還原的薄層氧化石墨烯分散溶劑中得到薄層氧化石墨烯分散液和還原的薄層氧化石墨烯分散液。本發明工藝簡單，所需設備簡單，操作安全簡單，成本低廉，可控性強，易於實現規模化工業生產，擴大了氧化石墨烯的不同應用需求。
文檔編號C01B31/04GK103145121SQ20131008733
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者劉立偉, 陳明亮, 郭玉芬, 李偉偉, 魏相飛, 邱勝強, 廖書田, 龔佑品, 龍明生 申請人:蘇州格瑞豐納米科技有限公司