CN101993064B - 一种制备亲水性石墨烯的方法 - Google Patents

一种制备亲水性石墨烯的方法 Download PDF

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本发明涉及一种制备亲水性石墨烯的方法，属无机材料发明领域。本发明的工艺过程如下：以天然鳞片石墨为原料，用Hummers法将其氧化得到氧化石墨，然后将所得的氧化石墨于去离子水中超声分散，使氧化石墨剥离成氧化石墨烯分散液。用氨水调节分散液pH值至10~10.5，将分散液加热至100℃，按铁粉与氧化石墨的质量比在0.5~2∶1范围内加入铁粉，在100℃回流反应1~1.5h，得到在水中稳定分散的石墨烯分散液，分散液经微孔滤膜真空抽滤，最后对得到的固体产物进行水洗和干燥。本发明工艺简单、操作方便、经济环保。

Description

一种制备亲水性石墨烯的方法
技术领域
本发明属无机材料化学领域，涉及一种以铁粉为还原剂制备亲水性石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是2004年被发现的一种由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维炭质新材料，它被认为是富勒烯、 碳纳米管、石墨等其它维数碳质材料的基本结构单元；石墨烯表现出许多优异的性质，例如石墨烯是世界上最坚固的材料(Young’s模量～1.0 TPa)，理论比表面积高达2630 m2/g，具有突出的导热性(～5000 W/(m·K))和室温下高速的电子迁移率(～200000 cm2/(V·s))，同时，其独特的结构使其具有完美的量子霍尔效应、独特的量子隧道效应、双极电场效应等特殊的性质。这些优异的性质已经使石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理学领域最热门的研究课题之一。
目前石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、晶体外延生长法、化学还原法等，这些方法各有其优缺点；化学还原法是一种重要的制备方法，主要采用水合肼、二甲肼、硼氢化钠等还原剂还原氧化石墨，该方法适于石墨烯的大规模生产，但是, 水合肼、二甲肼等还原剂不仅价格较高，而且具有高毒性，这给石墨烯的研究和应用造成了很大的困难。本方法采用廉价而环保的铁粉为还原剂制备石墨烯，避免了使用水合肼、二甲肼等高毒性的物质，而且制备的石墨烯能够在水溶液中均匀稳定的分散。
发明内容
本发明已经考虑到现有技术中出现的问题，目的在于提供一种以铁粉为还原剂制备亲水性石墨烯的方法，采用如下技术方案：
1)  以天然鳞片石墨为原料，用Hummers法将其氧化得到氧化石墨；
2)  将氧化石墨超声分散于水中，形成氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯的浓度为0.2～1.0 g/L；
3)  用质量分数为28%的氨水调节分散液的pH值至10～10.5；
4)  将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比在0.5~2：1的范围内，在100 ℃回流1～1.5 h；  
5)  冷却后，用磁铁分离残余的铁粉，得到黑色石墨烯均匀分散液；
6)  石墨烯分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
本发明的主要特点是：以廉价、环保的铁粉为还原剂，快速得到在水中稳定分散的石墨烯分散液，本发明工艺简单、操作简便、成本低。  
附图说明
图1为本发明实施例1制备的石墨烯片的X-射线衍射(XRD)谱图。其中横坐标为衍射角(2θ)，单位为度(0)；纵坐标为衍射强度，单位为cps；
图2为本发明实施例1制备的石墨烯片的透射电镜(TEM)照片；
图3为本发明实施例1制备的石墨烯片的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明，但本发明的保护范围不限于这些实施例。
实施例1
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.5 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为2：1，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
所得石墨烯分散液为稳定的黑色胶体分散液；图1为产品的XRD图，在2θ = 24.8 ??处出现了一个很宽的(002)衍射峰，对应的层间距约为0.36 nm，比石墨(0.34 nm)略大，在2θ = 44.6°左右显示石墨烯弱的(100)衍射峰；图2为该产品的TEM图，可以看到大片的石墨烯片，石墨烯片总体平整，局部有丝绸般的褶皱，图3为该产品的SEM图。
实施例2
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.2 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为2：1，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例3
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成1.0 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为2：1，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例4
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.5 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比在1：2，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例5
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.2 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比在1：2，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例6
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成1.0 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比在1：2，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例7
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.5 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比在1：1，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例8
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.2 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：1，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例9
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成1.0 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：1，在100 ℃下搅拌回流反应1 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例10
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.5 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为2：1，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例11
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.2 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为2：1，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例12
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成1.0 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为2：1，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例13
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.5 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：2，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例14
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.2 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：2，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例15
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成1.0 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：2，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例16
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.5 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH = 10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：1，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例17
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成0.2 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：1，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。
实施例18
称取用Hummers法制备得到的氧化石墨于去离子水中超声分散，配置成1.0 g/L浓度的分散液，用质量分数为28%的氨水调节溶液pH=10，将溶液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比为1：1，在100 ℃下搅拌回流反应1.5 h，冷却，用磁铁分离残余的铁粉，得到分散均匀的石墨烯分散液，放置一个月无沉淀产生；石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，得到的固体产物用水洗涤三次，在60 ℃真空干燥。

Claims (3)

1.一种制备亲水性石墨烯的方法，其特征在于：以铁粉作为还原剂，具体包括以下步骤：
1)  以天然鳞片石墨为原料，用Hummers法将其氧化得到氧化石墨；
   2)  将氧化石墨于去离子水中超声分散，形成氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯的浓度为
0.2~1.0 g/L；
3)  用氨水调节氧化石墨烯分散液的pH值至10~10.5；
4)  将氧化石墨烯分散液加热至100 ℃，加入铁粉，铁粉与氧化石墨的质量比在0.5～2：1的范围内，在100 ℃回流1~1.5 h；
5)  冷却后，用磁铁分离残余的铁粉，得到黑色石墨烯均匀分散液；
6)  将石墨烯均匀分散液经微孔滤膜真空抽滤，并对得到的固体产物进行水洗和干燥。
2.如权利要求1所述一种制备亲水性石墨烯的方法，其特征在于：制备的石墨烯稳定的分散在水中，形成稳定的胶体分散液。
3. 如权利要求1所述一种制备亲水性石墨烯的方法，其特征在于：氨水的质量分数为28%。
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