[發(fā)明專利]一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法

有效

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• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103663442A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設計）人: 李強;季更生;馮圓圓;屠潔;唐玉斌;李天程;李斌
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明涉及石墨烯的制備方法，特別涉及一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，屬于應用化學和生物化工領域的技術。

背景技術

離子液體，是由有機陽離子和有機或無機陰離子組成，在室溫或近室溫條件下呈液體狀態(tài)的一類有機鹽。作為一類環(huán)境友好的新型綠色溶劑，離子液體具有熱穩(wěn)定性良好、溶解能力強、不揮發(fā)性、低熔點、較寬的電化學窗口、良好的導電與導熱性、良好的透光性與高折光率、高熱容、高穩(wěn)定性。而且離子液還具有可設計性，通過調(diào)節(jié)和改變其陰陽離子的結構與組成，能夠提高離子液體自身的性能并開發(fā)出具有特殊功能的離子液體，以滿足特定的要求。相對于傳統(tǒng)的有機溶劑，離子液體表現(xiàn)出獨特的溶劑效應，是一種優(yōu)良的反應介質(zhì)，已被廣泛應用于化學合成、分離工程和納米材料制備等領域。

石墨烯作為一種新型材料，是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的一種炭質(zhì)新材料，這種石墨烯晶體薄膜的厚度只有0.335nm，是頭發(fā)直徑的20萬分之一，是目前已知的世界上強度最高的材料，是構建其它維數(shù)炭質(zhì)材料的基本單元，具有極好的結晶性和電化學性能。由于石墨烯具有這些性能優(yōu)異，成本低廉，可加工性好等優(yōu)點，使其在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領域具有重大的應用前景。

目前，石墨烯的制備手段通常可以分為2種類型，即化學方法和物理方法。物理方法是從具有高晶格完美型的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80nm以上。物理方法包括機械剝離法、取向附生法、加熱SiC法、爆炸法等；而化學方法是通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10nm以下。化學方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、球磨法、氧化石墨還原法等。這些方法或多或少存在著制備效率低、劇毒物質(zhì)、污染環(huán)境或不易回收等缺點。例如目前最常用的是Hummers法制備石墨烯，該方法大量地使用硫酸、高錳酸鉀等強腐蝕性物質(zhì)，污染很大。因此，開發(fā)綠色高效可回收的石墨烯生產(chǎn)介質(zhì)和工藝是迫切需要解決的問題。離子液體綠色環(huán)保，目前還沒有利用離子液體制備石墨烯的方法。

發(fā)明內(nèi)容：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種用離子液體制備分散性高、成本低廉的石墨烯的方法。

技術方案：本發(fā)明所述的用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，包括如下步驟：

（1）制備氧化石墨烯：首先配制酸性離子液體，加入石墨粉，并用超聲波震蕩預處理，使石墨粉均勻地混合在離子液體中；其次，向上述混合溶液中加入酸和高錳酸鉀，用超聲波震蕩，此過程在保溫狀態(tài)下進行；然后向混合溶液中通入氧氣使離子液體吸收氧氣，加熱攪拌后離心獲得沉淀，并對沉淀進行洗滌、真空冷凍干燥，獲得氧化石墨烯，同時回收酸性離子液體；

（2）制備還原石墨烯：取氧化石墨烯加入水，用超聲波震蕩，再加入堿性離子液體和水合肼，用超聲波震蕩，反應在保溫狀態(tài)下進行，然后冷卻反應液，離心分離獲得沉淀，并對沉淀進行洗滌、真空冷凍干燥，獲得還原石墨烯，同時回收堿性離子液體。

步驟（1）中，所述酸性離子液體可以為硫酸鹽離子液體、鹽酸鹽離子液體、醋酸鹽離子液體或磷酸鹽離子液體等。加入的石墨粉為酸性離子液體質(zhì)量的1-5%(w%)；加入的酸為酸性離子液體質(zhì)量的1-10%，加入的高錳酸鉀為酸性離子液體質(zhì)量的2-6%。所述保溫的溫度為90-120℃，保溫時間為30-50min。加入的酸為硫酸、硝酸或者硫酸和硝酸的混合物。用稀鹽酸溶液和去離子水洗滌沉淀。

步驟（2）中，所述堿性離子液體可以為為嗎啉基離子液體、硫酸氫鹽離子液體或羧酸鹽離子液體等。其中，氧化石墨烯為堿性離子液體質(zhì)量的1-5%(w%)。

所述保溫溫度為30-100℃，保溫加熱時間為6h以上。

上述兩個步驟中，超聲波震蕩處理為采用90w-100w的超聲波處理20min-30min。

另外，步驟（1）中可以回收反應體系，將酸性離子液體、氧化石墨烯、酸和高錳酸鉀的混合物經(jīng)過10000-12000r/min離心20min使石墨烯沉淀，上層酸性離子液體、酸和高錳酸鉀的混合溶液可以重復用于氧化石墨烯的制備。

步驟（2）中也可以回收反應體系，將堿性離子液體、水合肼和還原石墨烯的混合物經(jīng)過10000-12000r/min離心20min使還原石墨烯沉淀，上層堿性離子液體和水合肼的混合溶液可以重復用于還原石墨烯的制備。其中，在使用過程中部分水合肼被氧化，故重復使用過程中需要補充水合肼。