[發明專利]一種氧化石墨烯尺寸分離的方法

有效

• 申請號: 201611063598.4
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN108101039B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 耿洪亞;劉凱;白國英;劉杰;吳書旺;王亞玲;王健君
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞;牛艷玲

本發明提供了一種結冰固化實現氧化石墨烯尺寸分離的方法，屬于納米材料加工工藝技術領域。該方法通過控制氧化石墨烯水分散液的結冰固化速度來實現不同尺寸氧化石墨烯的分離。由于不同尺寸的氧化石墨烯擴散速度不同，含氧官能團密度不同，因此與冰晶相互結合的能力不同，較小的氧化石墨烯擴散速度快，含氧官能團密度高，能夠快速的與冰晶結合，相反，較大的氧化石墨烯擴散速度慢，并且含氧官能團密度較小，與冰晶結合的能力較弱。因此通過控制結冰固化速度，可以精確的分離所需尺寸和氧化還原度分布的氧化石墨烯。

技術領域

本發明涉及氧化石墨烯的尺寸分離的方法，尤其是一種通過冷凍固化氧化石墨烯水分散液并且通過控制固化速度來實現不同尺寸氧化石墨烯分離的方法。屬于納米材料加工工藝技術領域。

背景技術

氧化石墨烯是一種有著特殊碳原子排布的二維材料，自從氧化石墨烯被發現以來，其獨特的電學、光學、生物學、機械等性能吸引著各行各業研究者的關注，因而氧化石墨烯被廣泛地應用在電池、光電轉化、催化、藥物負載、抗菌和表面改性等諸多領域。

氧化石墨烯的種種性能受其本身的物理化學性質的影響，這些性質包括片層尺寸分布、氧化還原度、厚度和表面官能團種類等，其中片層尺寸對氧化石墨烯的影響頗為顯著。尺寸小于10nm的氧化石墨烯(通常稱之為氧化石墨烯量子點)，是一種具有光量子產率高并且生物兼容性很好的發光材料，因此通常被用于組織或者細胞成像，也可以通過改良制備成全光譜發光材料；同樣地，幾納米到幾百納米的氧化石墨烯因為其較大的邊緣面積，豐富的含氧官能團，往往被用作抗菌性研究和析氫、氧還原催化性能研究；相反，相對較大的氧化石墨烯(幾微米到上百微米)，由于其單片片層較大，在液相中的旋轉受限，其分散液有著較高的粘度，表現出了很好的液體晶體的性質，而且較大的單片面積在通過化學還原后能夠較好的保持石墨烯中sp²雜化碳的數量，具有較高的導電性能，因此片層較大的氧化石墨烯在打印墨水、3D結構構建和導電材料的制備等方面備受青睞，綜上所述，縮小氧化石墨烯的尺寸分布范圍對于提高氧化石墨烯的應用性能具有重要意義。

然而，傳統的氧化石墨烯制備方法(通常利用Hummers’法)在制備的過程中由于選取的石墨尺寸難以控制，石墨氧化以及超聲剝離處理都對產物氧化石墨烯的尺寸和單片氧化還原程度有較大的影響，使得制備的氧化石墨烯有非常寬泛的尺寸和氧化還原度分布范圍，因此亟待尋找一種制備具有較窄尺寸分布范圍氧化石墨烯的方法。

目前，已經有研究人員報道了制備具有較小尺寸分布的氧化石墨烯的方法，這些方法通過改變反應條件，或者選擇具有尺寸分布范圍較窄的石墨從而實現產物氧化石墨烯尺寸分布的縮小。同時也有研究人員報道利用后處理的方法實現對氧化石墨烯尺寸的分離，如利用不同尺寸氧化石墨烯邊緣羧基數量不同，進而具有不同電離程度的性質，通過調節溶液的pH值控制不同尺寸氧化石墨烯的沉積性能，最終實現尺寸分離，分離過程涉及添加劑的加入以及產物后處理。也有研究人員利用具有不同孔徑膜過濾的方法，通過控制濾膜孔徑、攪拌葉和多孔膜的距離以及調節攪拌速度的方法也能實現氧化石墨烯的尺寸分離，該方法需要特殊的實驗裝置。通過調整化學反應或者選擇不同尺寸石墨來制備氧化石墨烯的方法依然不能有效地規避強烈氧化和剝離過程中，強氧化劑和超聲對氧化石墨烯尺寸的破壞。

發明內容

本發明的發明人研究發現，不同尺寸的氧化石墨烯含氧官能團密度不一，擴散速度不同，且與冰晶相互結合的能力不同，通過控制氧化石墨烯水分散液的結冰固化速度可以實現氧化石墨烯的尺寸分離。

本發明的第一方面是提供一種氧化石墨烯尺寸分離的方法。

根據本發明，所述方法通過控制氧化石墨烯水分散液結冰固化速度，實現氧化石墨烯的尺寸分離。氧化石墨烯水分散液結冰固化速度越快，所分離獲得的氧化石墨烯的尺寸越小，含氧量越高。

根據本發明，所述方法包括以下步驟：

1)以一定的結冰固化速度冷凍氧化石墨烯水分散液；