一種常溫下簡(jiǎn)便合成氧化石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制備石墨烯的方法，特別是一種常溫下簡(jiǎn)便合成氧化石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種單層原子厚度的新型碳納米材料，它是SP2雜化碳原子排列成蜂窩狀六角平面晶體。石墨烯具有新穎的物理化學(xué)特性，如高比表面積、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的電子傳輸能力等，在新材料、電子、航空航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前制備石墨烯的方法有化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法、SiC外延生長(zhǎng)法、微機(jī)械剝離法和電化學(xué)法等，其中除了氧化石墨還原法，其他方法都具有工藝復(fù)雜且成本高等缺點(diǎn)，因此氧化石墨還原法是制備石墨烯的研宄熱點(diǎn)。氧化石墨還原法的關(guān)鍵步驟是石墨的氧化程度和剝離程度。目前氧化石墨還原法中石墨的氧化大多數(shù)采用Hmnmers法[Nina1.Kovtyukhovaj Patricia J.0llivierj Benjamin R.Martin, Thomas E.MalloukjSergey A.Chizhikj Eugenia V.Buzanevaj Alexandr D.Gorchinskiyj Chem.Mater,1999，11，771-778]，即先用硫酸和過硫酸鉀對(duì)石墨在低溫(0 0C)下進(jìn)行預(yù)氧化處理，然后在中溫(35 °C)條件下進(jìn)行處理、隨后用濃硫酸和高錳酸鉀在低溫(O °C)下對(duì)石墨進(jìn)行再次氧化，最后經(jīng)高溫(98 0C)處理后加H2O2處理，從而對(duì)石墨進(jìn)行氧化剝離，但是如此處理方法由于操作復(fù)雜，且反應(yīng)條件不好精準(zhǔn)控制，從而使得石墨插層效率不是很高，氧化程度也不夠，所得到的氧化石墨烯分散液的分散性也不是很好，放置時(shí)間長(zhǎng)了容易沉積。
[0003]總體而言，目前報(bào)導(dǎo)的氧化石墨還原法制石墨烯的方法，大多數(shù)都需要繁瑣的操作步驟，同時(shí)石墨氧化剝離階段需要嚴(yán)格的溫度控制，所需成本較高，而且得到的產(chǎn)物由于石墨的插層效率不高，氧化效果不佳，從而不能確保產(chǎn)物良好的分散性，因此開發(fā)一種在常溫下步驟相對(duì)簡(jiǎn)單的、便捷的、成本低的合成氧化石墨烯的方法是非常有意義和必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提供一種常溫下簡(jiǎn)便合成氧化石墨烯的方法，此法操作簡(jiǎn)單、步驟少、易控制、快捷、成本低，所制備的氧化石墨烯質(zhì)量可靠。
[0005]本發(fā)明提供的常溫下簡(jiǎn)便合成氧化石墨烯的方法具體可分為三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn):
1)、基于hummers法，采用濃硫酸和高錳酸鉀在10-30 0C的常溫下簡(jiǎn)便的對(duì)石墨粉進(jìn)行一步法氧化，反應(yīng)過程采用80-300W的低功率超聲波輔助剝離反應(yīng)，進(jìn)而得到氧化的石墨混合溶液。
[0006]2)、將步驟I)得到的氧化石墨混合溶液在10-30 0C的常溫下于80-300W超聲條件下加入H2O2水溶液，直到產(chǎn)品顏色變?yōu)榱咙S色。
[0007]3)、將步驟2)得到的產(chǎn)品用體積濃度為lmol/L的HCl溶液洗滌沉積物3次，再用去離子水洗滌至中性，最后將所得產(chǎn)品進(jìn)行透析處理，得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。
[0008]本發(fā)明中提到的“簡(jiǎn)便”是指制備氧化石墨烯過程中，在石墨氧化步驟中采用一步法完成，且全過程采用80-300W的低功率超聲波柔和的對(duì)氧化石墨進(jìn)行有效均勻剝離，進(jìn)一步提高其氧化程度。
[0009]本發(fā)明在加H2O2步驟中也采用80-300W的低功率超聲波柔和地對(duì)氧化石墨進(jìn)行進(jìn)一步有效均勻剝離，從圖1所示的透射電鏡圖可以看出，本發(fā)明所合成的氧化石墨烯呈透明的褶曲的薄片，由此可見本發(fā)明能夠得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。由于合成全過程在常溫(10-30 °C)下進(jìn)行，所需能源動(dòng)力少；采用低功率超聲波輔助，所需能源動(dòng)力亦少，且一步可以完成對(duì)石墨的氧化處理，步驟少，操作簡(jiǎn)單，可節(jié)省人力物力，故合成成本較低，易于控制，制備快捷。
[0010]本發(fā)明將Hummers法中的低溫、中溫、高溫處理過程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的常溫處理過程，大大地簡(jiǎn)化了 Hummers法，有效提高了合成效率，并在反應(yīng)全過程中采用低功率超聲波處理，以此提高石墨的插層效率和氧化程度，使制備的氧化石墨烯質(zhì)量可靠。
【附圖說明】
[0011]圖1是運(yùn)用本發(fā)明方法制得的氧化石墨烯透射電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]根據(jù)權(quán)利要求所述的具體步驟如下，旨在說明本發(fā)明而不是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。
[0013]實(shí)施例1:在潔凈的燒瓶中加入0.2 g石墨粉。向燒瓶中加入10 mL濃H2SO4，再加入0.8 g KMnO4，在10 tlC下機(jī)械攪拌I天，反應(yīng)全過程采用80 W超聲波處理，完成石墨氧化。當(dāng)混合溶液由深紫綠色變?yōu)楹诤稚珪r(shí)，在100W超聲的條件下，加入50 mL H2O2水溶液，進(jìn)一步進(jìn)行剝離，直到溶液顏色變?yōu)榱咙S色時(shí)，停止操作。將所得到的產(chǎn)品進(jìn)行離心處理，沉積物用100 mL lmol/L的鹽酸洗滌3次，再用去離子水洗滌至中性，最后將所得的產(chǎn)品進(jìn)行透析處理得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。
[0014]實(shí)施例2:在潔凈的燒瓶中加入I g石墨粉。向燒瓶中加入60 mL&H2S04，再加入2 g KMnO4，在20 tlC下機(jī)械攪拌2天，反應(yīng)全過程采用100 W超聲波處理，完成石墨氧化。當(dāng)混合溶液由深紫綠色變?yōu)楹诤稚珪r(shí)，在200W超聲的條件下，加入200 mL H2O2水溶液，進(jìn)一步進(jìn)行剝離，直到溶液顏色變?yōu)榱咙S色時(shí)，停止操作。將所得到的產(chǎn)品進(jìn)行離心處理，沉積物用300 mL lmol/L的鹽酸洗滌3次，再用去離子水洗滌至中性，最后將所得的產(chǎn)品進(jìn)行透析處理得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。
[0015]實(shí)施例3:在潔凈的燒瓶中加入3 g石墨粉。向燒瓶中加入100 mL濃H2SO4，再加入5 g KMnO4，在30 ciC下機(jī)械攪拌3天，反應(yīng)全過程采用250 W超聲波處理，完成石墨氧化。當(dāng)混合溶液由深紫綠色變?yōu)楹诤稚珪r(shí)，在300W超聲的條件下，加入300 mL H2O2水溶液，進(jìn)一步進(jìn)行剝離，直到溶液顏色變?yōu)榱咙S色時(shí)，停止操作。將所得到的產(chǎn)品進(jìn)行離心處理，沉積物用500 mL lmol/L的鹽酸洗滌3次，再用去離子水洗滌至中性，最后將所得的產(chǎn)品進(jìn)行透析處理得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。
[0016]實(shí)施例4:在潔凈的燒瓶中加入2.5 g石墨粉。向燒瓶中加入85 mL&H2S04，再加入4 g KMnO4，在30 tlC下機(jī)械攪拌3天，反應(yīng)全過程采用200 W超聲波處理，完成石墨氧化。當(dāng)混合溶液由深紫綠色變?yōu)楹诤稚珪r(shí)，在300W超聲的條件下，加入250 mL H2O2水溶液，進(jìn)一步進(jìn)行剝離，直到溶液顏色變?yōu)榱咙S色時(shí)，停止操作。將所得到的產(chǎn)品進(jìn)行離心處理，沉積物用450 mL lmol/L的鹽酸洗滌3次，再用去離子水洗滌至中性，最后將所得的產(chǎn)品進(jìn)行透析處理得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。
[0017]實(shí)施例5:在潔凈的燒瓶中加入1.5 g石墨粉。向燒瓶中加入100 mL&H2S04，再加入3 g KMnO4，在20 °C下機(jī)械攪拌2.5天，反應(yīng)全過程采用200 W超聲波處理，完成石墨氧化。當(dāng)混合溶液由深紫綠色變?yōu)楹诤稚珪r(shí)，在200W超聲的條件下，加入220 mL H2O2水溶液，進(jìn)一步進(jìn)行剝離，直到溶液顏色變?yōu)榱咙S色時(shí)，停止操作。將所得到的產(chǎn)品進(jìn)行離心處理，沉積物用400 mL lmol/L的鹽酸洗滌3次，再用去離子水洗滌至中性，最后將所得的產(chǎn)品進(jìn)行透析處理得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種常溫下簡(jiǎn)便合成氧化石墨烯的方法，其特征在于包括下列步驟: 1)、基于hummers法，采用濃硫酸和高錳酸鉀在10-300C的常溫下簡(jiǎn)便的對(duì)石墨粉進(jìn)行一步法氧化，反應(yīng)過程采用80-300W的低功率超聲波輔助剝離反應(yīng)，進(jìn)而得到氧化的石墨混合溶液； 2)、將步驟I)得到的氧化石墨混合溶液在10-300C的常溫下于80-300W的低功率超聲波條件下加入H2O2水溶液，直到產(chǎn)品顏色變?yōu)榱咙S色； 3)、將步驟2)得到的產(chǎn)品用體積濃度為lmol/L的HCl溶液洗滌沉積物3次，再用去離子水洗滌至中性，最后將所得產(chǎn)品進(jìn)行透析處理，得到質(zhì)量可靠的氧化石墨烯水溶液。
【專利摘要】一種常溫下簡(jiǎn)便合成氧化石墨烯的方法，其包括：基于hummers法，采用濃硫酸和高錳酸鉀在常溫下對(duì)石墨粉進(jìn)行一步法氧化，反應(yīng)過程采用低功率超聲波輔助剝離反應(yīng)，進(jìn)而得到氧化的石墨混合溶液；然后將得到的氧化石墨混合溶液在10-300C的常溫下于80-300W的低功率超聲波條件下加入H2O2水溶液，直到產(chǎn)品顏色變?yōu)榱咙S色；接著將得到的產(chǎn)品用體積濃度為1mol/L的HCl溶液洗滌沉積物3次，再用去離子水洗滌至中性，最后透析，即得到氧化石墨烯水溶液。本發(fā)明將Hummers法中的低溫、中溫、高溫處理過程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的常溫處理，并使用低功率超聲波輔助，操作簡(jiǎn)單、步驟少、易控制、快捷、成本低。
【IPC分類】C01B31-04
【公開號(hào)】CN104876219
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510343691
【發(fā)明人】蘇招紅, 趙成云, 周文新, 譚文龍, 吳安軍, 周春姣, 周鐵安
【申請(qǐng)人】湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月19日