[發明專利]一種大規模制備單層氧化石墨烯的方法

有效

• 申請號: 200910062869.8
• 申請日: 2009-06-30
• 公開（公告）號: CN101591014A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: 王世敏;萬麗;王敬超;王賢保;董兵海
• 申請（專利權）人: 湖北大學
• 主分類號: C01B31/00
• 分類號: C01B31/00
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司
• 代理人: 朱盛華

技術領域

本發明涉及一種大規模制備單層氧化石墨烯的方法。?

背景技術

2004年，英國曼徹斯特大學的物理學教授Geim等用一種極為簡單的方法剝離并觀測到了單層石墨烯晶體(Geim，A.K.et?al.Scienc，306，666(2004))，引起了科學界新一輪的“碳”熱潮。石墨烯的理論比表面積高達2600m2/g(Chae，H.K.etal.Nature，427，523(2004))，具有突出的導熱性能(3000W/(m·K))和力學性能(1060GPa)(Schadler，L.S.et?al.Appl?Phys?Lett，73，3842(1998))，以及室溫下高速的電子遷移率(15000cm2/(V·s))(Zhang，Y.et?al.Nature，438，201(2005))。石墨烯的特殊結構，使其具有完美的量子隧道效應、半整數的量子霍爾效應和從不消失的電導率等一系列性質(Novoselov，K.S.et?al.Nature，38，197(2005))。這些獨特的性能使其在材料科學和電子學等領域具有廣闊的應用前景。?

目前，石墨烯的制備方法有：機械剝離法，化學氣相沉積法，插層法和氧化-還原法。其中前兩種方法得到的石墨烯產量低，而插層法的產物中含有大量多層的石墨烯，這些都在一定程度上限制了其在各領域，特別是在復合材料方面的應用。氧化-還原法是以天然鱗片石墨為原料，從制備氧化石墨烯為出發點來制備石墨烯。而全世界的石墨礦產豐富，我國也是石墨高產國。因此該方法從原料方面就為石墨烯的大規模制備奠定了基礎。所以從石墨制備氧化石墨烯是大規模合成石墨烯的戰略起點。而且與昂貴的富勒烯和碳納米管相比，氧化石墨烯價格低廉，原料易得；氧化石墨烯上還含有大量的-OH與-COOH基團，可以很容易地進行各種化學改性，有望成為聚合物納米復合材料的優質填料。?

氧化-還原法主要是利用強氧化劑對天然鱗片石墨進行氧化后得到氧化石墨烯，再經還原得到石墨烯。然而該方法所得到的氧化石墨烯是一種二維薄片狀結構，成膜性好，在水中分散性好，采用普通的抽濾、離心沉降、蒸發等方法難以將氧化石墨烯從其水溶液中分離出來。特別是對大規模工業制備與處理，這些方法成本高、效率低、?不宜推廣應用。因此探索一種簡單適用、經濟高效的制備大量氧化石墨烯的方法，從而解決石墨烯的大規模制備，對實現石墨烯的廣泛應用具有十分重要的價值。?

發明內容

本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種原料成本低廉易得、操作容易、工藝簡單、重現性好，可大規模工業化的制備單層氧化石墨烯的方法。?

本發明目的的實現方式為，一種大規模制備單層氧化石墨烯的方法，具體步驟如下：?

①石墨氧化：以2克-500克天然鱗片石墨為原料，用氧化劑氧化，氧化72小時-100小時后，氧化物用1升去離子水洗滌抽濾，洗至中性，干燥后得到氧化石墨，?

所述的氧化劑為35毫升濃硫酸和18毫升濃硝酸的混酸和其它試劑的組合物，其它試劑為氯酸鉀、高錳酸鉀、五氧化二磷、過硫酸鉀、雙氧水中的一種或幾種的組合，其它試劑的加量為10克-22克，?

②分散剝離：將脫酸洗滌后的氧化石墨固體立即加入到去離子水中稀釋至濃度為0.5克/升，用超聲波進行分散剝離0.5小時至10小時，然后過濾未反應的石墨，收集濾液，得到氧化石墨烯的水溶液，未反應的石墨重復步驟①②操作，?

③絮凝沉降：在氧化石墨烯的水溶液中按5克至50克/升氧化石墨烯水溶液的量加入絮凝劑，使氧化石墨烯沉降下來，然后進行過濾，濾餅冷凍干燥后得到氧化石墨烯固體，?

所述的絮凝劑為氫氧化鉀、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硝酸、氯化鉀、氯化鈉、硫酸鈉、碘化鉀或聚丙烯酰胺中的一種或幾種的組合。?

本發明通過絮凝沉降能將氧化石墨烯固體很容易地從其水分散液中分離出來，從而實現了石墨烯的大規模制備；原料成本低廉易得、操作容易、工藝簡單、重現性好，可進行大規模工業化生產。?

用本發明制備的單原子氧化石墨烯，可作為復合材料的片狀增強相，制備具有高的力學性能和阻隔性能的材料；可用來制作指紋采集材料等。其還原產物-石墨烯，可用于構筑納米級的計算機芯片、太陽能電池電極和場效應晶體管等二維光電子元器件，具有極其重要的實際應用價值。?

附圖說明

圖1是大規模制備氧化石墨烯的工藝流程示意圖，?