[發明專利]一種褶皺石墨烯的制備方法

在審

• 申請號: 201910697726.8
• 申請日: 2019-07-24
• 公開（公告）號: CN110395717A
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發明（設計）人: 苗中正;田華雨;張立云
• 申請（專利權）人: 鹽城師范學院
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種褶皺石墨烯的制備方法。首先制備含氧基團層和三氯化鐵交替插層石墨的材料，剝離含氧基團層得到可分散在水中的三氯化鐵插層氧化石墨烯，然后抽濾成膜，將膜浸入雙氧水溶液中，使薄膜內部產生大量褶皺，之后取出薄膜自然晾干，最后將膜浸入氫碘酸溶液中還原，得到獨立自支撐的石墨烯薄膜。本發明所述方法可以高效制備高褶皺石墨烯薄膜，有效減輕石墨烯片層結構的破壞，提高石墨烯褶皺的廣泛性和均勻性，制備工藝簡單，對設備的要求較低，適于工業或實驗室操作，具有巨大的應用前景。

技術領域

本發明涉及石墨烯薄膜制備領域，尤其是一種褶皺石墨烯薄膜的制備方法。

背景技術

石墨烯是一種完全由碳原子構成的厚度僅為單原子層或數個單原子層的準二維晶體材料，其特殊的結構蘊含著豐富而新奇的物理現象，使其展現出優異的光學、電學、力學特性，在材料學、海水淡化、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。石墨烯的一個主要的應用形式是將微觀的氧化石墨烯或者石墨烯片組裝成宏觀的石墨烯薄膜。褶皺石墨烯具有獨特的褶皺結構，具有優良的拉伸性能，能提供較高的比表面積和介孔，結合石墨烯自身優點，使該材料有望成為柔性器件、過濾膜、高性能超級電容器與鋰離子電池的電極材料，在平板顯示、防腐蝕、電熱材料、儲能領域、工業催化領域均具有較好的應用前景。但是，現有的高褶皺石墨烯的制備方法主要是通過化學氣相沉積或者干濕法轉移，工藝復雜、耗能高，設備要求高，而且褶皺石墨烯技術報道的很少，需要發展一種有效的高褶皺石墨烯規模化制備方法。

氧化石墨又被稱為石墨氧化物或被稱為石墨酸，可以通過強氧化劑處理石墨制備得到，氧化程度最高的產物是一種碳氧數量之比介于2.1到2.9之間黃色固體，仍然保留石墨母體的片狀結構，但是兩層間的間距(約0.7nm)大約是石墨中層間距的兩倍。近年來，以氧化石墨為原料來大規模工業化生產石墨烯成為主流方式，由于氧化石墨中存在大量親水基團，氧化石墨很容易在水溶液分散，形成單個石墨層，但氧化石墨本身卻是絕緣體或是半導體，需要再通過還原反應得到石墨烯。盡管采用氧化石墨法可以高效剝離制備單層及少層石墨烯，但石墨烯片層結構破壞嚴重會帶來石墨烯薄膜導電性與力學性能等變差的問題。

發明內容

本發明提供一種褶皺石墨烯的制備方法。從石墨原料出發，首先制備含氧基團層和三氯化鐵交替插層石墨的材料，剝離含氧基團層得到可分散在水中的三氯化鐵插層氧化石墨烯，然后抽濾成膜。石墨烯中的三氯化鐵是造成褶皺的關鍵，將膜浸入雙氧水溶液中，三氯化鐵催化過氧化氫分解反應產生氣體，使薄膜內部產生大量空隙，之后取出薄膜，將薄膜自然晾干。可將膜反復多次浸入雙氧水溶液中，利用膜內殘存的鐵離子催化過氧化氫分解持續產生褶皺，鐵離子也隨著浸泡次數增加而被清除。最后，將膜浸入氫碘酸溶液中還原，得到獨立自支撐的石墨烯薄膜。

本發明采用如下技術方案：

一種褶皺石墨烯的制備方法，包括如下步驟：

(1)運用熔融鹽法將無水三氯化鐵與石墨混合加熱制備二階石墨插層化合物，采用氧化劑和濃酸對二階石墨烯插層化合物進行氧化插層，得到含氧基團層和三氯化鐵交替插層石墨的材料；

(2)將含氧基團層和三氯化鐵交替插層石墨放入水溶液中超聲處理，剝離含氧基團層得到可分散在水中的三氯化鐵插層氧化石墨烯，抽濾成膜；

(3)將膜浸入雙氧水溶液中，反應結束后取出薄膜，將薄膜自然晾干，此過程可多次重復進行；

(4)將膜浸入氫碘酸溶液中反應，得到獨立自支撐的石墨烯薄膜。

步驟(1)中的熔鹽法反應溫度為400℃，反應時間為4-6小時，無水三氯化鐵與石墨質量比為5∶1。

步驟(1)中的氧化劑包括氯酸鹽、高氯酸鹽、高錳酸鹽、重鉻酸鹽，過氧化鈉，濃酸為濃硫酸或者濃硫酸與濃硝酸的混合物，氧化插層時間為4-48h，溫度為0-80℃。

步驟(2)中的超聲時間為0.5-2h。