[發明專利]一種基于綠色脫氧技術石墨烯制備方法

有效

• 申請號: 201110426540.2
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102557018A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 彭政;羅勇悅;王慶煌;何東寧;趙鵬飛;李承鵬;孔令學;李普旺;馮春芳
• 申請（專利權）人: 中國熱帶農業科學院農產品加工研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B82Y40/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 陳成海

【技術領域】

本發明涉及二維納米材料的制備方法，特別涉及一種基于綠色脫氧技術批量制備單層石墨烯的方法。

【背景技術】

石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構成的二維晶體，是包括富勒烯、碳納米管、石墨在內的碳的同素異形體的基本組成單元。石墨烯具有特殊的光學、電學、熱學、力學等特性，其具有室溫下半整數量子霍爾效應，量子遂穿效應，高速的電子遷移率20000m²V^-1s^-1，高熱導率3000Wm^-1K^-1和出色的力學性能(高模量1060GPa，高強度130GPa)。用這些特性石墨烯不僅能制各出具有特殊性能的納米電子學和自旋電子學元器件，而且利用其平面結構，可以使用標準的半導體光刻工藝進行大規模集成納電子電路的設計，制作功能性復合材料、儲能材料、催化劑載體等方面有廣泛的應用前景。但是石墨烯的產業化應用是建立在對其大規模生產的基礎上的。因此國內外大量科學家將研究重點放在石墨烯的工業化生產上。石墨烯最早由英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過微機械剝離的方法成功制得，該方法最大的缺點是產量低。到目前石墨烯的制備方法可以分為4大類：微機械剝離法，化學氣相沉積法，外延生長法，制備膠體懸浮液法。但是由于石墨烯自身的疏水性，且在溶劑中的團聚的性質都對其制備產生了限制。在實驗室性能研究中從生產周期短，且產量高的角度出發，國際上認為制備膠體懸浮液法中的濕化學氧化-還原法有大規模生產的潛力。

濕化學氧化-還原法是指先將石墨原料氧化得到氧化石墨，通過剝離制得石墨烯氧化物，再還原的方法。常用的氧化方法只有三種：Brodie，Staudenmaier或者Hummers，還原方法則研究較多，常用的還原方法有化學液相還原、等離子體法還原、熱還原、氫電弧放電剝離、光照還原、微波還原等，常用的是化學還原，水合肼、H₂、NaBH₄、維生素C、乙二胺、Na/CH₃OH等。但是這些方法會面對還原劑高毒性且不能循環利用、反應周期長、高能耗、尾氣直接排放無法處理等問題，從而對工業化生產帶來阻礙。

【發明內容】

針對現有的石墨烯制備方法的不足，本發明的目的在于提供一種能夠解決以下技術問題的基于綠色脫氧技術的石墨烯的制備方法：

1、通過脫氧劑的選用，如選用碳酸鈉，碳酸鉀等，實現脫氧劑循環生產、無毒，零排放的石墨烯氧化物的脫氧過程；

2、降低脫氧過程的反應時間；

3、通過引入碳酸鹽的弱堿性，提高石墨烯在水相體系的穩定性。

為了實現上述的發明目的，本發明采用如下技術方案：

1、石墨的插層氧化；

2、氧化石墨的剝離得到石墨烯氧化物；

3、通過脫氧劑使得石墨烯氧化物向石墨烯轉化；

4、綠色脫氧過程產生的尾氣為純二氧化碳，可以直接回收利用，實現零碳排放。

本發明的具體實施方案如下：

1、石墨的插層氧化

(1)、按石墨與預氧化劑的配比，放入燒瓶中；按石墨與插層氧化劑的配比，將插層氧化劑緩慢加入，控溫到合適的溫度，磁力攪拌，使反應體系均勻穩定的進行反應。

(2)、按石墨與強氧化劑的配比，將強氧化劑分次緩慢加入在反應步驟(1)中；反應體系的溫度迅速恒溫到合適的溫度，磁力攪拌，反應到合適的時間。

(3)、在反應步驟(2)結束后，加入適量的去離子水對反應體系進行反應終止，磁力攪拌下調節反應溫度到合適的值，加熱保溫，磁力攪拌。

(4)、待反應步驟(3)反應體系平穩后，按石墨與強氧化劑的配比，加入強氧化劑，并使用一定量的去離子水對反應體系進行二次稀釋，得到懸浮液.加熱保溫，磁力攪拌。

(5)、將反應步驟(4)得到的懸浮液，過濾分離、除雜，得到石墨的插層氧化物。

2、石墨的插層氧化物的剝離得到石墨烯氧化物

將反應步驟(5)得到的石墨的插層氧化物分散到適量的水中，通過適當的功率，一定的時間進行超聲分散，制得一定濃度下的石墨烯氧化物在水中的懸浮液.

3、通過脫氧劑使石墨烯氧化物向石墨烯轉化

(1)、在反應步驟2制得的懸浮液中，按一定濃度的綠色脫氧劑的水溶液與石墨烯氧化物的配比，加入綠色脫氧劑的水溶液，磁力攪拌混合均勻，在適當的溫度下，保溫反應，一定時間后脫氧結束，得到反應液體；反應體系封閉，，并對產生的二氧化碳進行收集。