[發明專利]石墨烯氧化物的制備和提純方法

無效

• 申請號: 201010287964.0
• 申請日: 2011-05-18
• 公開（公告）號: CN102145887A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 宋繼霞;牛利;張齊賢;韓冬雪;楊化鋒;柳美華;鄧鵬飏
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春應用化學研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 長春科宇專利代理有限責任公司 22001
• 代理人: 馬守忠

技術領域

本發明涉及石墨烯氧化物的制備及提純方法。

背景技術

自2004年石墨烯Graphene這一材料的問世引起了全世界新的研究熱潮。石墨烯是由單層碳原子緊密排列成二維六角結構的一種碳質新材料，是構建其它維度碳質材料，如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨的基本單元。(K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，D.Jiang，Y.Zhang，S.V.Dubonos，I.V.Grigorieva，A.A.Firsov，“Electric?Field?Effect?in?Atomically?Thin?Carbon?Films”，Science，2004，306，666-669)由于石墨烯獨特的二維結構，其具有優異的電學、熱學和力學性能，可望在高性能納電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。2008年8月，美國科學家證實，石墨烯是目前已知世界上強度最高的材料。(Changgu?Lee，Xiaoding?Wei，Jefferey?W.Kysar，James?Hone，“Measuremnt?of?the?Elastic?Properties?and?Intrinsic?Strength?ofMonolayer?Graphene”，Science，2008，321，385-388)。實驗結果發現，在石墨烯樣品微粒開始斷裂前，每100納米距離上可承受的最大壓力為2.9微牛左右。按這個結果測算，要使1米長的石墨烯斷裂，需要施加相當于55牛頓的壓力，也就是說，用石墨烯制成的包裝袋應該可以承受大約兩噸的重量。石墨烯蘊含了豐富而新奇的物理現象，為量子電動力學現象的研究提供了理想的平臺，具有重要的理論研究價值。因此，石墨烯迅速成為材料科學和凝聚態物理領域近年來的研究熱點。

石墨烯氧化物是結晶性高的石墨強力氧化后加水分解得到的化合物，可以歸類為有共價鍵的石墨層間化合物。石墨烯氧化物由于其層間擁有大量的羥基、羧基等基團，容易與一些化學物質發生反應而得到改性石墨烯氧化物，圖1為其結構示意圖。因此石墨烯氧化物與許多材料基體都有較好的相容性，其在鋰離子電池負極材料和阻燃復合材料方面也顯示了明顯的應用前景。石墨烯氧化物經過適當的超聲波震蕩處理極易在水溶液或者有機溶劑中分散成均勻的單層的石墨烯氧化物溶液，這為人們制備大量單層石墨烯氧化物提供了可能。目前，從石墨制備石墨烯氧化物被認為是大規模合成石墨烯的起點。

石墨烯氧化物的首次合成可以追溯到1898年的Brodie法，此后又出現了Staudenmaier法、Hummers法等(W.S.Hummers，R.E.Offeman.J.Am.Chem.Soc.，1958，80，1339～1339)，此三種方法都屬于化學氧化法。此后又出現了采用電化學氧化法來制備石墨烯氧化物的方法，但是該方法不適合于石墨烯氧化物的大批量合成制備。

石墨烯氧化物上C原子屬于sp³雜化，與石墨烯相比石墨烯氧化物的導電性很差。但相對于石墨烯，石墨烯氧化物由于表面含有大量的官能團，容易與一些化學物質發生反應，得到改性石墨烯。而這種改性石墨烯也可使石墨烯氧化物表面由親水性變為親油性、表面能降低，從而提高與聚合物單體或聚合物之間的相容性。因而增強了石墨烯氧化物和聚合物間的粘接性。石墨烯氧化物經過適當的超聲波震蕩處理極易在水溶液或者有機溶劑中分散成均勻的單層氧化石墨烯溶液，這為人們制備大量單層石墨烯提供了可能。

發明內容

本發明提供了石墨烯氧化物的制備及提純方法，其制備方法通常分三步，(1)石墨預氧化；(2)石墨烯氧化物的制備；(3)石墨烯氧化物在硫酸和H₂O₂混合水溶液中通過反復震蕩分離、過濾以達到提純的目的。石墨烯氧化物的制備方法的步驟和條件如下：

(1)、石墨的預氧化

按照過硫酸鉀質量g∶五氧化二磷質量g∶濃硫酸體積ml∶天然石墨質量g的配比范圍為1∶0.2～5∶0.2～7∶0.2～6，在攪拌情況下，把天然石墨、過硫酸鉀和五氧化二磷依次加到摩爾濃度為18mol/L的濃硫酸中得到澄清溶液，油浴加熱到40～100℃反應，上述溶液反應1～7小時，生成黑色沉淀混合物，20～25℃下冷卻1～10小時，抽濾，用二次水洗至濾液為中性；把所得沉淀在空氣中干燥，得到預氧化石墨。

(2)用預氧化石墨制備石墨烯氧化物