[發(fā)明專利]一種還原氧化石墨烯的修復(fù)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410023730.3
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103787318A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張明東;張麟德
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳粵網(wǎng)節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 廣州華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司 44224
• 代理人: 何平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種還原氧化石墨烯的修復(fù)方法。

背景技術(shù)

自從2004年英國曼徹斯特大學(xué)的Andre?Geim及Konstantin?Novoselof首次成功剝離熱解石墨并觀測到石墨烯以來，學(xué)界內(nèi)對于新型碳材料的研究熱度就一直沒有消退過。石墨烯的成功分離意味著理論對于二維晶體熱力學(xué)不穩(wěn)定的預(yù)言被破除，也就帶來了許多新領(lǐng)域研究的可能。

完美的石墨烯具有理想的二維結(jié)構(gòu)，它由六邊形晶格組成，每個碳原子通過σ鍵在晶格平面方向上與其他的三個碳原子結(jié)合，未成σ鍵的電子則作為π電子，組成了垂直于晶格平面的π軌道體系。π電子可在平面上任意移動，這賦予了石墨烯極好的導(dǎo)電性，能夠承受比銅高六個數(shù)量級的電流密度。同樣，石墨烯也具有創(chuàng)紀(jì)錄的導(dǎo)熱性，純凈石墨烯的導(dǎo)熱率高達(dá)2000～4000Wm^-1.K^-1，且具有極好的強(qiáng)度和極高的表面積。不僅如此，石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)也賦予其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，使其具有完美的隧穿效應(yīng)和半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、以及它從不消失的電導(dǎo)率。這些獨(dú)特的性能使其在材料和電子電路等方面有著極大的應(yīng)用前景。也因此，對石墨烯的大量合成有極大的需求。

傳統(tǒng)的石墨烯合成方法可分為兩種，分別是物理方法和化學(xué)方法。物理方法和化學(xué)方法得到的石墨烯的性狀也有所不同。物理法中有機(jī)械剝離法、電弧放電法、超聲分散法等不同方案，得到的石墨烯片層比較完整，但是都存在產(chǎn)率過低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，需要特種設(shè)備和成本過高的問題。而化學(xué)方法可以分為自下而上的有機(jī)合成法、氧化還原法、溶劑熱法和化學(xué)氣相沉積法幾種。其中，有機(jī)合成法對設(shè)備和原料要求嚴(yán)格，難以量產(chǎn)；溶劑熱法無法穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，平均質(zhì)量較差；化學(xué)氣相沉積法的成本過高，而且無法規(guī)模化生產(chǎn)。這當(dāng)中的氧化還原法的設(shè)備簡單，得到的石墨烯質(zhì)量穩(wěn)定，因此是最有可能作為石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的方案。然而經(jīng)過氧化還原后的石墨烯存在兩個主要的問題，其一是經(jīng)過激烈的氧化還原過程后，石墨烯片層中的六元碳環(huán)結(jié)構(gòu)有被破壞的部分，即形成了所謂的缺陷，從而影響和干擾了石墨烯材料本體的性能；其二是所得到的石墨烯材料沒辦法還原徹底，因此導(dǎo)致了石墨烯層上的殘留氧，也對石墨烯材料的性能有很大的影響。因此，所得到的石墨烯材料一般被稱之為“還原氧化石墨烯”，相較之下，經(jīng)過化學(xué)氣相沉積法獲得的石墨烯材料的缺陷要更少，也不會殘留氧。因此在一定應(yīng)用范圍內(nèi)，這種石墨烯材料更符合我們的需要，更能被稱之為“石墨烯”。

對于還原氧化石墨烯，其表面的缺陷可分為以下幾種主要情況：1、Stone-Wales（SW）拓?fù)淙毕荩词由蟽蓚€六元環(huán)碳原子發(fā)生了重排，破壞了兩個六元環(huán)形，成了一個五元環(huán)和一個七元環(huán)的結(jié)構(gòu)。2、空位缺陷，即石墨烯層上的六元碳環(huán)里，出現(xiàn)了一個或一個以上的碳原子缺失，從而使石墨烯中形成了空位。這包括了單空位缺陷和雙空位缺陷。3、吸附雜質(zhì)原子或雜原子替代，即石墨烯上碳原子上吸附了雜質(zhì)原子從而形成的缺陷，或者雜質(zhì)原子直接進(jìn)入石墨烯結(jié)構(gòu)內(nèi)替代碳原子。由于上述幾種缺陷，導(dǎo)致最終經(jīng)化學(xué)法制備得到的石墨烯的特性較物理法制備的石墨烯有一定區(qū)別。這種區(qū)別包括了比表面積的大小、整體結(jié)構(gòu)中碳氧元素的比例及能帶結(jié)構(gòu)中有無能隙等等。

由于還原氧化石墨烯和氣相化學(xué)沉積得到的石墨烯之間的特性區(qū)別較大，而這種特性主要是來自于石墨烯上的缺陷帶來的影響，因此，對石墨烯上的缺陷設(shè)計一些用于表面重構(gòu)的催化步驟，從而能使石墨烯上的缺陷經(jīng)過重構(gòu)消除，同時能對石墨烯上的殘留氧進(jìn)行脫除，從而使化學(xué)法制備的還原氧化石墨烯，轉(zhuǎn)變接近為高質(zhì)量的石墨烯，達(dá)到低成本制備高質(zhì)量石墨烯材料的目的，是勢在必行的研究。

然而，對石墨烯缺陷進(jìn)行重構(gòu)和修補(bǔ)的研究一方面是國內(nèi)報道較少，存在大量的研究空白；另一方面，目前國際上主要的報道集中在對石墨烯以碳源分子進(jìn)行氣相化學(xué)沉積法的修補(bǔ)上，而用傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法進(jìn)行石墨烯修補(bǔ)的報道極其少見。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要提供一種還原氧化石墨烯的修復(fù)方法，以對還原氧化石墨烯上的缺陷進(jìn)行修復(fù)及對還原氧化石墨烯進(jìn)行脫氧。

一種還原氧化石墨烯的修復(fù)方法，包括如下步驟：

將還原氧化石墨烯分散于溶劑中，得到石墨烯分散液，向所述石墨烯分散液中加入第一路易斯酸及含甲基或亞甲基的化合物得到第一混合物，將所述第一混合物于300瓦～900瓦的微波環(huán)境下反應(yīng)0.5小時～2小時，然后回流反應(yīng)3小時～5小時，分離純化并干燥，得到第一粗產(chǎn)物；