一種制備單層石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯制備領(lǐng)域，具體涉及一種制備單層石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子組成，是世界上最薄的二維材料，具有非常優(yōu)異的性能:超大的比表面積，理論值為2630m2/g;高強(qiáng)度，是已測(cè)材料中強(qiáng)度最高的，達(dá)lTPa，是鋼鐵的100多倍；電學(xué)性能優(yōu)異，室溫下電子迀移率可達(dá)2 X105cm2/(V.s);導(dǎo)熱率為5300W.m—1.K—S是金剛石的三倍，此外在電磁方面還具有室溫量子霍爾效應(yīng)、鐵磁性和超導(dǎo)效應(yīng)等特殊性質(zhì)。這些優(yōu)異的性能使石墨烯在晶體管、太陽能電池、燃料電池、傳感器、超級(jí)電容器和催化劑載體等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。因此石墨烯的制備成為其實(shí)際應(yīng)用的前提。
[0003]目前，關(guān)于石墨烯的制備方法已有大量的報(bào)道，但是每種方法因自身限制不能成為制備石墨烯的理想方法。現(xiàn)有的方法中存在著制備工藝復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)高，并且制備的石墨烯層數(shù)較多，存在大量聚集結(jié)構(gòu)等問題?；瘜W(xué)剝離法是宏量制備石墨烯的方法中較簡單的方法，但是目前的制備技術(shù)中制備的氧化石墨氧化不充分且反應(yīng)時(shí)間較長。此外，將氧化石墨剝離還原的通用方法有化學(xué)還原法和熱剝離法。化學(xué)還原法需將氧化石墨再溶劑中充分分散開后加入肼、酚類、硼氫化鈉等還原劑進(jìn)行長時(shí)間還原，熱剝離法采用傳統(tǒng)加熱法將氧化石墨在惰性氣體保護(hù)下長時(shí)間高溫處理。這兩種方法能耗高，工藝復(fù)雜且環(huán)境不友好且制備過程時(shí)間成本高，不適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種制備石墨烯的方法，采用強(qiáng)酸、多種氧化劑對(duì)石墨進(jìn)行氧化，再通過一步超聲剝離還原法使氧化石墨在還原劑中進(jìn)行剝離和還原反應(yīng)，得到分散良好且單層的石墨烯。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0006]—種制備單層石墨烯的方法，包括以下步驟:
[0007](I)向石墨中分別加入無機(jī)酸、苯磺酸鈉、過氧苯甲酸，在反應(yīng)溫度為20_30°C下反應(yīng)1.5-3h后加入KMnO4，攪拌均勻后在反應(yīng)溫度為60-65 °C下，反應(yīng)3_5h，得到棕黃色溶液；其中，石墨、苯磺酸鈉、過氧苯甲酸、無機(jī)酸的質(zhì)量比為I:(3-5):(6-9): (25-30);KMnO4與石墨的質(zhì)量比為(8-12):1;
[0008](2)向棕黃色溶液中加入水進(jìn)行稀釋，再加入H2O2至溶液為亮黃色，然后過濾，向?yàn)V液中加入乙醇攪拌均勻，過濾后將濾餅采用酸洗后水洗至中性，得到氧化石墨；
[0009](3)向氧化石墨中加入乙二胺，使氧化石墨均勻分散于乙二胺中，然后在超聲反應(yīng)器中反應(yīng)3-4h，功率為500-700W，20-40KHZ ;反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液過濾，并用乙醇洗滌，得到黑色固體，干燥后得到單層石墨烯。
[0010]所述無機(jī)酸為濃H2SO4或濃hno3。
[0011]所述濃!^04的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%。
[0012]所述濃硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。
[0013]所述H2O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。
[0014]所述酸洗采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鹽酸進(jìn)行。
[0015]所述氧化石墨烯與乙二胺的質(zhì)量比為1:(50-60)。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果:
[0017](I)本發(fā)明使用有機(jī)酸與無機(jī)酸的混酸溶液，具有更好的氧化性能，在20_30°C反應(yīng)過程中混酸能更好的插入石墨層間，提升氧化效果；
[0018](2)本發(fā)明先在20-30°C下反應(yīng)，加入高錳酸鉀后再60-65°C下反應(yīng)，采用階梯式加熱方式能夠?qū)⑹迦雽娱g離子，得到充分的氧化。
[0019](3)本發(fā)明采用還原劑輔助的超聲剝離法可以一步實(shí)現(xiàn)氧化石墨的剝離與還原，不僅節(jié)省時(shí)間成本，而且避開使用有毒害的水合肼等還原劑，在剝離氧化石墨的過程中將剝離的基層還原，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的節(jié)能和成本降低，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0020](4)本發(fā)明由于采用超聲，可以在較短時(shí)間內(nèi)得到氧化程度優(yōu)良的氧化石墨，并且在進(jìn)一步的由氧化石墨制備石墨烯的過程中，直接剝離氧化石墨的同時(shí)也進(jìn)行著還原劑對(duì)石墨基層表面羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧官能團(tuán)的還原反應(yīng)。此外，本發(fā)明得到的石墨烯層數(shù)較少、不易團(tuán)聚，克服了單層石墨烯在自然狀態(tài)下新重堆疊及表面吸氧的問題。這種一步剝離還原法制備石墨烯的方法綠色簡單，且節(jié)約時(shí)間成本和生產(chǎn)成本，因此可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為實(shí)施例所制得石墨烯掃描電鏡圖。
[0022]圖2為實(shí)施例所制得石墨烯透射電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024](I)以石墨為原料，向石墨中分別依次加入200mL濃H2S04(*H2S04的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%),1g苯磺酸鈉，攪拌均勻后再緩慢加入20g過氧苯甲酸，控制反應(yīng)溫度為20-30V，持續(xù)反應(yīng)1.5h，得到反應(yīng)液；
[0025](2)向反應(yīng)液中繼續(xù)緩慢加入40g ΚΜηθ4，劇烈攪拌，保持反應(yīng)溫度為60-65°C，反應(yīng)3h，得到棕黃色溶液；
[0026](3)向棕黃色溶液中加入過量的水稀釋攪拌并加入質(zhì)量濃度為30%H202至溶液為亮黃色。過濾所得溶液，將濾餅加入乙醇中充分?jǐn)嚢?，過濾后繼續(xù)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的鹽酸洗濾餅，再用去離子水清洗多次。
[0027]洗滌結(jié)束后，將所得固體中加入300mL乙二胺，使所得氧化石墨分散于溶劑中；將上述溶液在超聲反應(yīng)器中反應(yīng)3-4h，功率為500-700W，20-40KHZ，反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液過濾，并用無水乙醇洗，得到黑色固體并用噴霧干燥器干燥，得到單層石墨烯。
[0028]圖1和圖2分別為單層石墨烯的掃描電鏡圖片和透射電鏡圖片。從圖中可以看到，合成的石墨烯層數(shù)較少，表面存在許多褶皺。
[0029]實(shí)施例2
[0030](I)向石墨中分別加入無機(jī)酸、苯磺酸鈉、過氧苯甲酸，在反應(yīng)溫度為20°C下反應(yīng)
1.5h后加入KMnO4，攪拌均勻后在反應(yīng)溫度為62V下，反應(yīng)4h，得到棕黃色溶液;其中，石墨、苯磺酸鈉、過氧苯甲酸、無機(jī)酸的質(zhì)量比為1:3:9:27;KMnO4與石墨的質(zhì)量比為8:1;其中，無機(jī)酸為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的濃H2SO4;
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