[發(fā)明專利]一種利用氧化還原一步制備石墨烯的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610256022.3
• 申請日: 2016-04-22
• 公開（公告）號: CN105692608B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張延宗;王榕
• 申請（專利權(quán)）人: 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C01B32/192
• 分類號: C01B32/192
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司51214
• 代理人: 鐘瑩潔,房云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯制備的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種利用氧化還原一步制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種由單層碳原子經(jīng)SP²雜化形成的蜂巢狀六元環(huán)二維結(jié)構(gòu)的碳材料。石墨烯具有高比表面積、比銀小的電阻率、高電子遷移率、高熱傳導(dǎo)系數(shù)、良好的機械柔韌性及機械強度、高靈敏度低噪聲等優(yōu)異的性能，其吸引了大批研究者對其應(yīng)用進行廣泛的研究，其應(yīng)用范圍已經(jīng)涉及了物理、化學(xué)、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域。但可控、大批量生產(chǎn)石墨烯仍是困擾廣大科研工作者的難題，也讓石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展停滯不前。

基于石墨烯誘人的應(yīng)用前景關(guān)于石墨烯制備方法的報道層出不窮。這些方法可分為“自上而下”和“自下而上”兩類方法。自上而下是從石墨、膨脹石墨上剝離出石墨烯的一類方法，如機械剝離法、氧化還原法、液相剝離法、電化學(xué)剝離法、電弧放電法、納米管切割法等方法；自下而上是碳原子在襯底上生長成石墨烯的一類方法，如化學(xué)氣相沉積法、外延生長法、有機合成法、溶劑熱法等。其中氧化還原法以其工藝簡單、成本低廉、生產(chǎn)設(shè)備簡易、產(chǎn)量最高的優(yōu)勢，成為最具潛力大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的方法。

在傳統(tǒng)的氧化還原法制備石墨烯中，需要經(jīng)歷將石墨氧化為氧化石墨的氧化階段，將氧化石墨剝離為氧化石墨烯的剝離階段，將氧化石墨烯還原為石墨烯的還原階段。此工藝存在以下問題：(1)每個反應(yīng)階段都存在影響反應(yīng)產(chǎn)物性能的因素，影響因素的疊加導(dǎo)致最終產(chǎn)物的不穩(wěn)定；(2)工藝繁瑣耗時長。在氧化階段，氧化反應(yīng)和氧化石墨的清洗需消耗大量時間；在剝離階段根據(jù)產(chǎn)物要求會有不定時間的消耗；在還原階段根據(jù)不同的還原方法也會有不定時間的消耗。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的諸如制備石墨烯的氧化還原法耗時長、效率低，難以用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)等問題，本發(fā)明的目的是提供一種利用氧化還原一步制備石墨烯的方法。

本發(fā)明提供了一種利用氧化還原一步制備石墨烯的方法，所述制備方法包括以下步驟：將用石墨粉氧化后得到的氧化石墨溶于預(yù)定溫度下的包括有機溶劑和水的混合溶液中，同時加入還原劑并對其進行超聲處理得到石墨烯分散液；將所得石墨烯分散液進行真空抽濾清洗，干燥所得過濾物得到石墨烯。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原一步制備石墨烯的方法的一個實施例，所述氧化石墨的制備方法較多，如Brodie法、Staudenmaier法及Hummers法等，本發(fā)明不對氧化石墨粉的方法進行過多的限制。但是，本發(fā)明優(yōu)選地采用一種改進的Hummers法進行石墨粉的氧化，從而能夠為后續(xù)的制備提供更優(yōu)的材料條件。

改進的Hummers法包括以下步驟:

將石墨粉加入濃硫酸中并在冰浴條件下攪拌，待恢復(fù)室溫后加入高錳酸鉀并繼續(xù)攪拌反應(yīng)，再在冰浴條件下用蒸餾水稀釋，得到稀釋液；將雙氧水緩慢加入所述稀釋液中并持續(xù)攪拌，放置一夜后離心清洗至中性，得到氧化石墨。

其中，所述石墨粉的粒徑為0.42～150um；所述濃硫酸的質(zhì)量濃度為96～98％，所述雙氧水的質(zhì)量濃度為0.1～30％，所述石墨粉與濃硫酸的質(zhì)量體積比為0.1:100～1:10，所述石墨粉與高錳酸鉀的質(zhì)量比為0.1:6～1:0.6，所述濃硫酸與雙氧水的體積比為1:1～1:50。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原法制備石墨烯的簡化制備方法的一個實施例，所述氧化石墨的濃度為0.02～10g/L，所述混合溶液中有機溶劑和水的體積比為1:0.01～1:100。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原一步制備石墨烯的方法的一個實施例，所述有機溶劑為甲殼素、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一種或至少兩種的組合，其中甲殼素的脫乙酰度為50％～90％。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原一步制備石墨烯的方法的一個實施例，所述預(yù)定溫度為5～90℃，優(yōu)選為40～60℃。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原一步制備石墨烯的方法的一個實施例，所述超聲處理的條件為用工作頻率為42～80kHz且超聲功率為300～1200W的超聲波處理10～180分鐘。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原一步制備石墨烯的方法的一個實施例，所述還原劑的濃度為0.01～10g/L。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原一步制備石墨烯的方法的一個實施例，所述還原劑為茶多酚、紅景天甙、花青素、鞣花酸、氨基酸中的一種或至少兩種的組合。

根據(jù)本發(fā)明的利用氧化還原一步制備石墨烯的方法的一個實施例，所述真空抽濾所用的濾膜孔徑為0.1～10μm。