[發(fā)明專利]一種單層石墨烯水溶液的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310591179.8
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN103723709A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王云峰;李曉斐
• 申請（專利權(quán)）人: 鹽城納新天地新材料科技有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 李紀(jì)昌;曹翠珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單層石墨烯水溶液的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種二維平面材料，它由碳原子按照sp²成鍵形成穩(wěn)定的蜂巢狀結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定的二維晶格結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能，在下一代集成電路、儲能材料、柔性顯示材料、生物制藥、航空航天、環(huán)保材料、導(dǎo)熱材料、高強(qiáng)度鋼材等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是影響和引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略性新材料。因此亟待尋求一種大量制備石墨烯的方法。

現(xiàn)有技術(shù)公開了多種石墨烯的制備方法，包括氧化石墨還原法、微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、SiC?外延生長法和電化學(xué)法等，其中，微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、SiC外延生長法和電化學(xué)法均具有工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，而具有成本低廉、可量化制備、方法簡單等優(yōu)點(diǎn)的氧化石墨還原法則成為研究熱點(diǎn)。氧化石墨還原法通常首先將石墨氧化并剝離成氧化石墨烯，再還原得到石墨烯，其中，將石墨氧化并剝離得到氧化石墨烯是關(guān)鍵步驟。

現(xiàn)有技術(shù)通過還原方法，使氧化石墨烯脫氧得到石墨烯，從而使氧化石墨烯的導(dǎo)電性能顯著增大，但單層率低，還原不徹底，石墨烯中碳元素與氧元素的比例小，電學(xué)性能差，大大影響了石墨烯的應(yīng)用廣泛性。原基于氫溴酸還原的石墨烯溶液制備方法在與高錳酸鉀進(jìn)行充分反應(yīng)后得到的石墨懸浮液未能夠充分的分散在水中，雖然得到的石墨烯水溶液可用于多種工業(yè)用途，但是無法保證98%以上，制得單層石墨烯水溶液。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種單層石墨烯水溶液的制備方法，使得在制備單層石墨烯水溶液過程中能夠使石墨充分分散在水中，制備得到高單層率的石墨烯水溶液。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種單層石墨烯水溶液的制備方法，按照以下步驟進(jìn)行：

（1）將天然石墨粉加入到硝酸鈣與硝酸鉀的混合物中，向其中滴加去離子水，攪拌均勻，控制體系溫度為0~5℃，緩慢滴加質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，充分?jǐn)嚢璨⒖刂企w系溫度不超過15℃，滴加完畢繼續(xù)攪拌，體系溫度降至8~12℃時，緩慢加入高錳酸鉀，并控制體系溫度不超過15℃，繼續(xù)攪拌使其充分反應(yīng)30min~12h，得到氧化石墨溶液；?其中硝酸鈣與硝酸鉀的質(zhì)量比為1:1~1:5，天然石墨粉與硝酸鈣與硝酸鉀的混合物的質(zhì)量比為1:0.1~1:1；

（2）將步驟（1）得到的氧化石墨溶液進(jìn)行抽濾，得到的濾餅用質(zhì)量濃度為2%稀鹽酸在30~35℃的溫度下洗滌，洗滌后用去離子水洗至中性，將洗滌抽濾過的濾餅分散在去離子水中，分散濃度為10~1000mg/L，經(jīng)超聲剝離得到單層氧化石墨烯水溶液；

（3）在單層氧化石墨烯水溶液中添加還原劑反應(yīng)得到單層石墨烯水溶液。

所述的單層石墨烯水溶液的制備方法，步驟（3）中可以按照1g氧化石墨烯水溶液中加入0.01~0.5g還原劑的比例添加還原劑，還原反應(yīng)溫度可以為60~100℃，反應(yīng)時間可以為10min~24h，優(yōu)選可以為30min~1h。

以上所述的單層石墨烯水溶液的制備方法，所述的還原劑可以為氫溴酸。

所述的單層石墨烯水溶液的制備方法，步驟（1）中去離子水的量可以為天然石墨粉質(zhì)量的10~50倍，濃硫酸的量可以為天然石墨粉質(zhì)量的1%~50%，高錳酸鉀的量可以為天然石墨粉質(zhì)量的0.5%~20%。?

所述的單層石墨烯水溶液的制備方法，步驟（2）中所述的超聲剝離可以為在40~80KHz下超聲2~10次，每次超聲時間可以為30min~2h，間歇時間可以為10min~30min。

本發(fā)明的還原機(jī)理為：氫溴酸在低溫加熱條件下可以有效的實現(xiàn)氧化石墨烯上環(huán)氧官能團(tuán)的開環(huán)，使其轉(zhuǎn)化為羥基基團(tuán)，同時利用溴原子取代羥基基團(tuán)，從而得到溴化石墨烯，又由于溴原子和石墨烯平面上的碳之間相互作用力較小，在溶液環(huán)境中，附著在石墨烯平面上的溴原子會自發(fā)的從石墨烯表面消去，進(jìn)而實現(xiàn)氧化石墨烯的還原，得到的石墨烯溶液。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、添加氧化劑的種類和配比比較合理，選用特定配比的硝酸鈣與硝酸鉀的混合物，使石墨粉得到充分氧化，利于氧化石墨剝離成氧化石墨烯，使氧化石墨在去離子水中分散更均勻；

2、對氧化石墨進(jìn)行多次超聲操作，能夠顯著提高獲取單層石墨烯水溶液幾率，單層率達(dá)99%以上，有利于單層石墨烯的批量生產(chǎn)；

3、使用氫溴酸作為還原劑，對設(shè)備無特殊要求、毒性小、還原性強(qiáng)、效率高，有利于石墨烯充分還原，反應(yīng)后溴離子自動消去，對石墨烯品質(zhì)無任何影響，得到高品質(zhì)的石墨烯。

附圖說明