[發明專利]一種基于微波預處理制備高分散性氧化石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201510242320.2
• 申請日: 2015-05-12
• 公開（公告）號: CN104909348B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 唐艷軍;劉東東
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司33100
• 代理人: 王佳健

技術領域

本發明涉及氧化石墨烯的制備，特別是一種高分散性和明顯單層結構的氧化石墨烯的制備。

背景技術

我國有著豐富的高質量石墨礦產資源，但在石墨附加值產品方面的加工技術卻較為落后，加大石墨深加工的研發力度、提高其附加值已刻不容緩。石墨烯的二維層狀晶體結構及巨大的比表面積賦予其優異的電學、力學、光學和熱力學特性，使其具有廣泛的應用前景。

石墨烯的制備方法主要有以下幾種：機械剝離法，化學氣相沉積法，氧化還原法，碳納米管切割法等。其中，氧化石墨還原法因工藝相對簡單，成本較為低廉，并且能夠快速有效地制備大量的石墨烯而被廣泛使用。而此法的重點在于氧化石墨烯的制備，因此高質量氧化石墨烯的制備就成為了實現石墨烯規模化生產與應用的前提。

氧化石墨烯通常是由石墨經過強酸氧化得到。目前主要通過三種方法制備氧化石墨烯：Brodie 法，Staudenmaier 法和Hummers 法。其中 Hummers 法因其制備過程的時效性和相對安全性而被廣泛應用。但目前所采用的方法在產品質量控制和反應條件控制上存在著明顯的不足。

國家發明專利CN102225754A 公布了一種氧化石墨烯的制備方法：通過在密閉的環境中采用石墨、濃酸和強氧化劑混合產生的高溫高壓條件使石墨被氧化并剝離，最終生成氧化石墨烯，用本方法制備的氧化石墨烯粒徑較大、含氧官能團較多并且氧化剝離較為充分。

國家發明專利CN103833020A 公開了一種制備氧化石墨的工藝方法：它通過減少酸的用量同時在水解反應步驟中加入少量的冷水來制備高效率、高濃度的氧化石墨。

國家發明專利CN103342358A 公布了一種快速制備大量層數可控的高質量石墨烯的方法，本方法通過控制石墨之間插入的羥基、羧基和其他含氧官能團的數量來制備大量層數可控的氧化石墨烯。

發明內容

本發明通過對天然石墨進行微波預處理，然后用改進的Hummers 法制備質量較優的氧化石墨烯。該方法操作簡單，條件溫和，設備要求較低，并且最后得到的氧化石墨烯具有較高分散性和明顯單層結構。

一種基于微波預處理制備高分散性氧化石墨烯的方法。通過如下技術方案實現：

（1）首先，將一定質量的石墨置于微波爐中，微波處理一定時間。

（2）：將一定質量的微波處理石墨和一定質量的過硫酸鈉加入盛有20mL濃硫酸的三口燒瓶中；然后，水浴加熱到一定溫度，并在此溫度下攪拌一定的時間；對所得混合物進行抽濾，并用去離子水多次洗滌至中性，將所得產物放在60℃烘箱里干燥24h，即得到預氧化石墨。

（3）：以預氧化石墨為原料，采用改進的Hummers法制備氧化石墨烯。

上述方法中，步驟（1）所述的石墨加入量為5g，此石墨為天然鱗片石墨，尺寸為500目。

上述方法中，步驟（1）所述的微波處理為低火加熱，微波爐型號為Haier/MF-2270MG，微波功率為120W，加熱時間0-30s。這是由于如果采用中火進行加熱，短時間內石墨就會發生燃燒反應；而采用低火時，加熱40s也會產生火光。因此，考慮安全性，最終只選擇了低火加熱0-30s

上述方法中，步驟（2）所述的微波處理石墨的加入量為2g，過硫酸鈉的加入量為2g，過硫酸鈉為分析純，濃硫酸質量分數為98%。

上述方法中，步驟（2）所述的加熱溫度為80℃，攪拌時間為6h，攪拌速度420rpm。

上述方法中，步驟（3）所述的采用改進的Hummers法制備氧化石墨烯的具體步驟為：

a. 用移液管轉移40mL質量分數為98%的濃硫酸至250mL的三口燒瓶，其次將2g步驟（2）得到的預氧化石墨緩慢加入到濃硫酸中，然后再緩慢加入1g硝酸鈉，室溫下均勻攪拌30min，然后再緩慢加入6g高錳酸鉀，繼續攪拌2h，用恒壓漏斗向反應體系中緩慢滴加20mL去離子水，將反應體系的溫度調至35℃，在35℃下攪拌2h，然后再用恒壓漏斗向反應體系中緩慢滴加100mL去離子水，加完水后將反應體系溫度升至95℃，在95℃繼續攪拌15min，然后向反應體系中加入20mL質量分數為30%的雙氧水繼續攪拌10min后停止反應。

b. 待混合液體自然冷卻后，將其倒入500mL去離子水中進行稀釋，然后在9000rpm下離心并用去離子水和1 M HCl 交替反復洗滌，然后將沉積物超聲分散30min，最后將其轉移至表面皿中并將其放置在60℃烘箱里干燥24h，即得到氧化石墨烯。