CN101966988B - 一种石墨烯粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯粉体的制备方法，它属于石墨烯制备领域。本发明解决现有制备石墨烯方法存在效率低、产量小，及对污染环境的技术问题。本发明的方法如下一、氧化石墨的制备；二、剥离氧化石墨；三、提纯：离心处理，收集上层溶液；四、在惰性气体保护和压力为20～100MPa条件下，将反应温度控制在步骤二所用溶剂的超临界温度以上进行反应1～24h，将反应釜自然冷却或用水猝冷，然后缓慢地将釜中气体放出，即得到石墨烯粉体。本发明制备的石墨烯为鹅毛状黑色蓬松的粉体。本发明方法生产效率高，高达100％；本发明方法还具有产量高，对环境污染小的优点。

Description

一种石墨烯粉体的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯制备领域。
背景技术
目前，石墨烯的生产方法主要有机械剥离法、热膨胀石墨法和化学气相沉积法。机械剥离法、热膨胀石墨法效率低、产量小，只能限于实验室小规模实验。而化学气相沉积法目前还很不成熟。最近科学家通过在浓硫酸中用高锰酸钾氧化石墨的方法大规模的制备了结构可控的氧化石墨烯溶液，并采用肼等还原剂进行还原得到石墨烯水溶液。但是这个方法用到了毒性比较大的肼，并且很难得到石墨烯粉末。
综上所述，现有制备石墨烯方法存在效率低、产量小，及对污染环境的问题。
发明内容
本发明要解决现有制备石墨烯方法存在效率低、产量小，及对污染环境的技术问题；而提供了一种石墨烯粉体的制备方法。
本发明中石墨烯粉体的制备方法是按下述步骤进行的：一、氧化石墨的制备：将10g石墨加入强氧化酸和硝酸盐的混合物中，硝酸盐和石墨质量比为0.2～1∶1，强氧化酸和石墨质量比为2～30∶1，然后冷却至0℃～5℃，搅拌30～40min，继续搅拌同时缓慢加入含钾强氧化剂，所述含钾强氧化剂和石墨质量比为0.4～6∶1，然后升温至10～15℃，并继续搅拌12h以上，随后将液体导入温度为30～40℃的水浴中，继续反应20～40min，缓慢加入200ml水，升温至90～100℃并保持35min，再添加双氧水和100ml水，双氧水和石墨质量比为0.2～1∶1，继续搅拌2h，用5％(质量)的盐酸溶液和水交替清洗4次，再用清水冲洗，过滤，固体烘干，得到氧化石墨固体；二、剥离氧化石墨：将氧化石墨固体溶于溶剂中，所述溶剂为水、乙醇、丙酮、四氢呋喃或N，N-二甲基甲酰胺，然后在振荡功率为300～1200W条件下振荡0.5～12h，即获得氧化石墨烯溶液；三、提纯：将步骤二获得氧化石墨烯溶液进行离心处理，收集上层溶液，即得到氧化石墨烯溶液；四、制备石墨烯：将步骤三得到的氧化石墨烯溶液置于超临界反应釜内，在惰性气体保护和压力为20～100MPa条件下，将反应温度控制在步骤二所用溶剂的超临界温度以上进行反应1～24h，将反应釜自然冷却或用水猝冷，然后缓慢地将釜中气体放出，即得到石墨烯粉体。
本发明方法制备的石墨烯粉体为鹅毛状黑色蓬松的粉体，所得产物表面接有很多的官能团，如羟基和羧基，含氧量在21％左右，所制备的石墨烯粉末在水中、乙醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺等溶剂中分散良好。本发明方法增加氧化石墨烯在水或乙醇中的溶解量，采用超临界反应釜增加有效容积，从而提高产量，产率基本可达100％。通过对氧化石墨的称量以及产物质量的称量，产率基本达到100％。本发明采用的还原剂温和，对环境污染小。
附图说明
图1是具体实施方式九制备石墨烯粉末照片图；图2是具体实施方式九制备石墨烯粉末XRD图；图3是具体实施方式九制备石墨烯粉末在水中分散的照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中石墨烯粉体的制备方法是按下述步骤进行的：一、氧化石墨的制备：将10g石墨加入强氧化酸和硝酸盐的混合物中，硝酸盐和石墨质量比为0.2～1∶1，强氧化酸和石墨质量比为2～30∶1，然后冷却至0℃～5℃，搅拌30～40min，继续搅拌同时缓慢加入含钾强氧化剂(耗时30min)，所述含钾强氧化剂和石墨质量比为0.4～6∶1，然后升温至10～15℃，并继续搅拌12h以上，随后将液体导入温度为30～40℃的水浴中，继续反应20～40min，缓慢加入200ml水(耗时30min)，升温至90～100℃并保持35min，再添加双氧水和100ml水，双氧水和石墨质量比为0.2～1∶1，继续搅拌2h，用5％(质量)的盐酸溶液和水交替清洗4次，再用清水冲洗，过滤，滤饼烘干，再研磨后过筛，得到氧化石墨固体；二、剥离氧化石墨：将氧化石墨固体溶于溶剂中，所述溶剂为水、乙醇、丙酮、四氢呋喃或N，N-二甲基甲酰胺，然后在振荡功率为300～1200W条件下振荡0.5～12h，即获得氧化石墨烯溶液；三、提纯：将步骤二获得氧化石墨烯溶液进行离心处理，收集上层溶液，即得到氧化石墨烯溶液；四、石墨烯的制备：将步骤三得到的氧化石墨烯溶液置于超临界反应釜内，在惰性气体保护和压力为20～100MPa条件下，将反应温度控制在步骤二所用溶剂的超临界温度以上进行反应1～24h，将反应釜自然冷却或用水猝冷，然后缓慢地将釜中气体放出，即得到石墨烯粉体。
本实施方式制备的石墨烯粉体为鹅毛状黑色蓬松的粉体，所得产物表面有羟基和羧基等官能团；所制备的石墨烯粉体在水、乙醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺等溶剂中分散良好。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述石墨为鳞片石墨。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述的强氧化酸为浓硫酸或高氯酸。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述的硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述所述的含钾强氧化剂为高锰酸钾或高氯酸钾。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三所述离心的转速为3000～10000r/min。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中所述惰性气体为氮气或氩气。其它步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中所述压力为40MPa。其它步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式中石墨烯粉体的制备方法是按下述步骤进行的：一、氧化石墨的制备：将10g鳞片石墨加入100mL质量浓度为98％的浓硫酸和5g NaNO3的混合物中，然后冷却至5℃，搅拌35min，继续搅拌同时缓慢加入30g KMnO4(加入KMnO4耗时30min)，然后升温至10℃，并继续搅拌24小时，随后将液体导入温度为35℃的水浴中，继续反应30min，缓慢加入200mL去离子水(30min)，升温至100℃并保持35min，再添加50mL双氧水和100mL去离子水，继续搅拌2h，用5％的盐酸溶液和水交替清洗4次，再用清水冲洗直至滤液中无为止(用BaCl2溶液检测)，过滤，将滤饼在100℃条件下干燥48h，研磨过200目筛，得到氧化石墨固体；二、剥离氧化石墨：将氧化石墨固体溶于乙醇中，然后在振荡功率为500W条件下振荡2h，即获得氧化石墨烯溶液(氧化石墨烯的面积多在0.5-1μm2)；三、提纯：将步骤二获得氧化石墨烯溶液进行离心处理，收集上层溶液，即得到氧化石墨烯溶液；四、石墨烯的制备：将步骤三得到的氧化石墨烯溶液置于超临界反应釜内，在惰性气体保护、温度为400℃和压力为20MPa条件下，反应8h，用水猝冷，然后缓慢地将釜中气体放出(放气时间为8小时)，即得到石墨烯粉体。
本实施方式制备的石墨烯粉体为鹅毛状黑色蓬松的粉体(如图1所示)；所得产物表面含有很多的官能团，如羟基和羧基，含氧量仍达到21％(见图2)；由图3可知所制备的石墨烯粉体在水中分散良好。

Claims (7)

1.一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于石墨烯粉体的制备方法是按下述步骤进行的：一、氧化石墨的制备：将10g石墨加入强氧化酸和硝酸盐的混合物中，硝酸盐和石墨质量比为0.2～1∶1，强氧化酸和石墨质量比为2～30∶1，然后冷却至0℃～5℃，搅拌30～40min，继续搅拌同时缓慢加入含钾强氧化剂，所述含钾强氧化剂和石墨质量比为0.4～6∶1，然后升温至10～15℃，并继续搅拌12h以上，随后将液体导入温度为30～40℃的水浴中，继续反应20～40min，缓慢加入200mL水，升温至90～100℃并保持35min，再添加双氧水和100mL水，双氧水和石墨质量比为0.2～1∶1，继续搅拌2h，用质量浓度为5％的盐酸溶液和水交替清洗4次，再用清水冲洗，过滤，滤饼烘干，再研磨后过筛，得到氧化石墨固体；二、剥离氧化石墨：将氧化石墨固体溶于溶剂中，所述溶剂为水、乙醇、丙酮、四氢呋喃或N，N-二甲基甲酰胺，然后在振荡功率为300～1200W条件下振荡0.5～12h，即获得氧化石墨烯溶液；三、提纯：将步骤二获得氧化石墨烯溶液进行离心处理，收集上层溶液，即得到氧化石墨烯溶液；四、石墨烯的制备：将步骤三得到的氧化石墨烯溶液置于超临界反应釜内，在惰性气体保护和压力为20～100MPa条件下，将反应温度控制在步骤二所用溶剂的超临界温度以上进行反应1～24h，将反应釜自然冷却或用水猝冷，然后缓慢地将釜中气体放出，即得到石墨烯粉体。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于步骤一所述石墨为鳞片石墨。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于步骤一所述的强氧化酸为浓硫酸或高氯酸。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于步骤一所述的硝酸盐为硝酸钠或硝酸钾。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于步骤一所述所述的含钾强氧化剂为高锰酸钾或高氯酸钾。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于步骤三所述离心的转速为3000～10000r/min。
7.根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的一种石墨烯粉体的制备方法，其特征在于步骤四中所述惰性气体为氮气或氩气。
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