[發明專利]一種宏量制備富羥基環氧型氧化石墨烯的方法

在審

• 申請號: 202210330835.8
• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114590805A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 蔡金明;于志強;呂鑒;羅琳;郝振亮
• 申請（專利權）人: 昆明云天墨睿科技有限公司;廣東墨?？萍加邢薰?/a>
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;C01B32/194
• 代理公司: 東莞科強知識產權代理事務所(普通合伙) 44450
• 代理人: 李林學

本發明公開一種宏量制備富羥基環氧型氧化石墨烯的方法，以50?12000目數的鱗片石墨為原料，制備粒徑可調官能團定向氧化的改性石墨烯材料。在較低反應溫度下，改性硫酸B通過協同質量分數98%以上的濃硫酸A對不同目數鱗片石墨進行插層反應并形成一階石墨/硫酸插層化合物，并在高錳酸鉀進入反應體系后，層間預先插層的改性硫酸B逐漸在強氧化體系作用下，生成大量氧自由基以及羥基自由基，從而無需額外添加任何官能團改性劑即可完成對鱗片石墨片層之間的定向氧化。本工藝制備過程簡單、具有較高的經濟效益以及實用價值。

技術領域

本發明涉及石墨烯材料制備技術領域，特別是一種宏量制備富羥基環氧型氧化石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是一種蜂巢狀具有正六邊形晶格的二維納米材料。其特殊的幾何與電子結構賦予它諸多優異的特性，包括優異的力學性能、 電學性能、光學性能和高的比表面積等，例如：單層石墨烯的厚度約為0.34nm，是目前報道最薄的材料；抗拉強度高達125GPa，是目前報道最強的材料；碳原子中未成并對可自由移動的 π 電子，賦予石墨烯出色的導電性，是目前報道室溫下電阻率最低的材料；石墨烯完美特殊的結構，使其理論比表面積可達2630m² /g、室溫熱導率約為5000W/mK等。伴隨著石墨烯優異性能的開發與利用，研究人員對石墨烯的制備技術也在不斷突破。2004 年 Geim 等人用膠帶從石墨上將一層完整的碳原子層機械剝離了下來，首次獲得了單層原子結構的石墨烯樣品。但該方法操作繁瑣而且可以得到的樣品數量極少，人們在該方法的基礎上開發出多種常用的石墨烯制備技術，如液相剝離法、化學氣相沉積法和化學氧化還原法等。其中化學氧化還原法被認為是最可能實現石墨烯產業化制備的工藝方法，而其中間體氧化石墨烯則是石墨烯基材料重要的官能團衍生物，是石墨烯材料實現宏觀組裝和改性的重要前驅體。

氧化石墨烯片層上含有大量含氧官能團，其中包括羥基、環氧基、羰基以及羧基等，這些官能團廣泛的分布于其面上以及邊緣位置，因此氧化石墨烯片層也可以被看作是一種具有兩親特性的大分子材料。這些含氧官能團保證了氧化石墨烯在水溶液中的良好分散性，同時也向氧化石墨烯提供了接枝反應的活性位點，除此之外，氧化石墨烯官能團結構的完整性也直接決定了其后續還原氧化石墨烯材料的性能特性。因此，如何高效選擇性地在氧化石墨烯片層上生長特定的官能團，對于石墨烯及其衍生物材料的制備優化具有重要意義。

公開號為“CN104556012B-一種疏基改性的氧化石墨烯及其制備方法”的中國發明專利公開內容顯示，通過將氧化石墨烯溶液與改性溶劑以及三乙胺溶液進行均勻混合，再氮氣保護下加入硫代羧酸或硫代羧酸鹽或，最后再10-70攝氏度下反應1-7天方可獲得硫酯改性的潛疏氧化石墨烯材料；公開號為“CN106044756B-一種氧化石墨烯功能化改性的方法”的中國發明專利提供了一種方案，通過將官能團改性溶劑與氧化石墨烯在溶液中進行化合反應，使改性官能團枝接到氧化石墨烯的表面以及邊緣，最終得到改性官能團修飾后的氧化石墨烯；公開號為“CN111747403B-一種氧化石墨烯表面官能團的可逆調控方法”的中國發明專利，通過向氧化石墨烯分散液中加入過渡金屬鹽得到混合溶液，再向混合溶液中加入強堿性溶液，最后通過調控反應溫度以及反應體系酸堿度變化得到官能團可逆調控的氧化石墨烯材料。上述三項專利都具有較好的技術思路，但仍然存在如下問題：1、額外添加官能團改性劑或含有過度金屬的鹽類物質用于制備官能團可控的氧化石墨烯，無疑增加了反應成本不利于宏量生產；2、傳統用于氧化石墨烯官能團改性的工藝方法所采用的反應條件較為苛刻，過程較為復雜且效率偏低，不利于企業批量生產。3、借助反應體系溫度以及酸堿度變化調控官能團生成取向，不利于控制官能團含量以及結構完整度，官能團定向氧化生成效率較低。

綜上所述，在具有特定官能團修飾的氧化石墨烯制備方面，如何探索快速、高效以及經濟的反應機制及制備工藝，對于實現宏量制備富羥基環氧型氧化石墨烯以及石墨烯材料功能應用研究方面具有重要意義。

發明內容