CN102674327A - 常温下水溶性石墨烯绿色制备方法 - Google Patents
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Abstract
常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,它涉及石墨烯的制备方法。本发明要解决现有的制备石墨烯的方法存在反应温度高、反应过程中有毒、危害环境、不能大规模生产以及现有石墨烯分散性和水溶性的问题。方法:以石墨粉、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、去离子水为原料,制备氧化石墨烯;将氧化石墨烯加入到氢氧化钠溶液中,在真空条件下超声,然后磁力搅拌24~60h,洗涤过滤后所得沉淀在真空干燥箱中干燥,得到水溶性石墨烯。本发明工艺成本低、环保无污染、可以大规模生产,所制备的石墨稀的溶解度为1.5~2.0mg/ml,能够稳定的分散在水中,4~6个月不出现沉淀。本发明所制备的石墨烯可用于生物医药、能源和电子等领域。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯的制备方法。
背景技术
自2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim教授与Kostya Novoselov首次采用胶带剥离得到石墨烯(Graphene,GN)以来,石墨烯的研究就受到广大科学研究者的广泛关注。2010年英国两位化学家因此获得诺贝尔物理奖,石墨烯成为继富勒烯与碳纳米管之后的又一个重大的发现(Science,2004,306,666-669)。石墨烯是一种二维的由六元环堆积而成的碳材料。每个碳原子均为sp2杂化,p轨道剩余的一个电子形成大的共轭体系及大的π轨道,并且电子可以在π轨道自由移动(Angew.Chem.,Int.Ed.,2009,48,7752-7777)。石墨烯具有良好的导电性、机械强度、催化性能、光学性能、吸附性能,另外石墨烯有良好的导热性能和很高的透明度,目前石墨烯是是已知材料中最轻,强度最大的材料(C.Lee,X.Wei,J.W.Kysar and J.Hone,Science,2008,321,385-388;Y.Zhang,Y.-W.Tan,H.L.Stormer and P.Kim,Nature,2005,438,201-204)。由于这些物理性能,石墨烯被广泛应用在各个领域,如:传感器、医药工程、催化、能源(O.C.Compton and S.T.Nguyen,Small,2010,6,711-723.S.Park and R.S.Ruoff,Nat.Nanotechnol.,2009,4,217-224)。
现在石墨烯的合成方法主要采用物理方法和化学方法。
物理方法采用对原料石墨粉(Graphite)进行微机械剥离法(Micromechenical cleavage method)制备石墨烯,最早是石墨烯的发现者英国曼彻斯特大学的Geim教授课题组。他们用胶带反复剥离石墨,最后成功的制得石墨烯单片结构。微机械剥离法虽然操作简单,成本较低,但是重复性差,产量低,难以大规模生产。
化学方法制备主要是对石墨粉进行氧化制备出中间产物氧化石墨稀(graphene oxide,GO),利用插层法或者剥离法得到氧化石墨烯。石墨被氧化之后在石墨层间引入大量的氧基官能团,如C=O、C-OH和COOH等官能团。这些氧原子的引入使得石墨层间的π键发生断裂,可以通过化学还原将氧化石墨烯还原,从而获得石墨烯。
常用的还原方法有:
1.RuoffRS等人利用水合肼在80~100℃加热的条件下还原氧化石墨烯制备出了石墨烯。这种方法石墨烯之间很容易发生团聚和堆砌,给石墨烯的应用带来了很大障碍。之后这个课题组又对此方法进行改进,即在还原的过程中添加特定高聚物聚苯乙烯磺酸钠,使 其吸附到还原后的石墨烯表面,从而阻碍了还原后石墨烯片之间的团聚,获得在水溶液中稳定分散的石墨烯悬浮液。
这种方法缺点:反应温度高、原料水合肼有毒易***、反应复杂产物量少,不能规模化生产,所制备的石墨烯不易分散,而且此方法适合应用在生物医学领域,就是改进的方法除能够分散在水中外,仍然存在上述缺点。
2.Zhang FB等人在强碱NaOH或KOH的水溶液中,通过加热也能还原氧化石墨烯获得稳定石墨烯悬浮液,但此方法缺点是:反应需要在较高温度下进行。
3.Ra.iamathi,M.等利用醇热法也可以还原制备石墨烯,此方法的缺点是,反应需要在高温、高压的情况下进行,而且反应不彻底。
4.此外还有一些生物大分子用于还原氧化石墨稀,如:氨基酸、葡萄糖、柠檬酸钠、血清蛋白,尽管这些还原方法友好无毒,但其还原程度相比水合肼还差,还原不彻底。
5.最近Huang C Z(RSC Adv.,2012,2,2322-2328)等人研究用肝磷脂还氧化石墨,此方法合成的石墨烯能够稳定分散,但反应需要在加热的条件下进行,且还原不彻底。
合成石墨烯主要技术难点为:低成本、环保无污染、大规模生产、稳定的分散性和水溶性。
发明内容
本发明要解决现有的制备石墨烯的方法存在反应温度高、反应过程中有毒、危害环境、不能大规模生产以及现有石墨烯分散性和水溶性较差的问题,而提供一种常温下水溶性石墨烯绿色制备方法。
本发明常温下水溶性石墨烯绿色制备方法按以下步骤进行:
一、称取石墨粉、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、去离子水;其中石墨粉与浓硫酸的比例是1g∶(20~80mL);石墨粉与硝酸钠的比例是1g∶(0.5~2.0g);石墨粉与高锰酸钾的比例是1g∶(3~10g);石墨粉与去离子水的比例是1g∶(100~200mL);浓硫酸的质量分数为98%;
二、将干燥的烧杯置于冰浴中,向烧杯中加入步骤一中称取的石墨粉、浓硫酸和硝酸钠,搅拌混合均匀后,加入高锰酸钾,控制反应温度不超过10℃,持续磁力搅拌2~3h,完成石墨的剥离;
三、将步骤二的烧杯转移至温度为30~50℃的水浴中,继续磁力搅拌,逐步加入部分步骤一中称取的去离子水,加入的体积为步骤一中称取的去离子水总体积的(1/6~1/2),控制反应温度为30~50℃,水浴反应30~60min,然后逐步加入余下的步骤一中 称取的去离子水,控制反应温度不超过98℃,水浴反应30~120min,得到棕褐色混合物,然后向烧杯中加入双氧水,至混合物的颜色由棕褐色变成亮黄色;
四、用盐酸水溶液洗涤步骤三得到的亮黄色混合物,倾倒掉上层清液后,再用20~30℃去离子水过滤洗涤,所得沉淀在温度为40~60℃的真空干燥箱中烘干,得到氧化石墨烯;
五、将步骤四所得的氧化石墨烯加入到pH值为9~12的氢氧化钠溶液中,在真空条件下超声30~90min,然后以150~250r/min的转速磁力搅拌24~60h,用无水乙醇洗涤3~5次,所得沉淀在温度为40~60℃的真空干燥箱中干燥24~48h,得到水溶性石墨烯;其中氧化石墨烯与氢氧化钠溶液的比例是100mg∶(100~250mL)。
本发明的有益效果是:
1、石墨烯常温还原制备,在合成氧化石墨烯后,还原石墨烯的整个过程没有加热,在室温下进行,无污染绿色环保,降低生产成本,并且可以大规模生产,形成产业链,为各个领域应用提供保障;
2、石墨烯还原后直接带有官能基团,并且具有良好的水溶性;
3、本发明石墨烯具有可靠的稳定性和吸附性,所制备的石墨烯在pH为7~12的水溶液中的Zeta电位为40~60mV,石墨稀的溶解度为1.5~2.0mg/ml,可稳定的分散在水中4~6个月不出现沉淀。根据文献(nature nanotechnology,2008,3,101-105;Nano Lett.,2008,8(6)1679-1682)和美国ASTM(American Society for Testing and Materials)D4187-82标准,Zeta电位大于±40mV的水溶液体系具有“好的稳定性”,本发明所制备的石墨烯水溶液具有稳定的分散性。
本发明所制备的石墨烯可用于生物医药、能源和电子等领域,为今后解决人类疾病治疗和诊断,以及当前能源急缺,现代电子科技发展提供充足的原料。
附图说明
图1是实施例一所制备的石墨烯的扫描电镜照片;
图2是实施例一所制备的石墨烯的透射电镜照片;
图3是石墨的XRD谱图;
图4是实施例一所制备的石墨烯和实施例一步骤四所得的氧化石墨烯的XRD谱图;其中标记有G(001)峰位的谱图是氧化石墨烯的XRD谱图;标记有G(002)峰位的谱图是石墨烯的XRD谱图;
图5是实施例一步骤四所得的氧化石墨烯的红外光谱图;
图6是实施例一所制备的石墨烯的红外光谱图;
图7是实施例一所制备的石墨烯的吸附5-氟嘧啶的浓度与负载量关系图;
图8是实施例一所制备的石墨烯的吸附阿司匹林的浓度与负载量关系图;
图9是是实施例一所制备的石墨烯分散在pH为10的水溶液中的照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式,还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式常温下水溶性石墨烯绿色制备方法按以下步骤进行:
一、称取石墨粉、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、去离子水;其中石墨粉与浓硫酸的比例是1g∶(20~80mL);石墨粉与硝酸钠的比例是1g∶(0.5~2.0g);石墨粉与高锰酸钾的比例是1g∶(3~10g);石墨粉与去离子水的比例是1g∶(100~200mL);浓硫酸的质量分数为98%;
二、将干燥的烧杯置于冰浴中,向烧杯中加入步骤一中称取的石墨粉、浓硫酸和硝酸钠,搅拌混合均匀后,加入高锰酸钾,控制反应温度不超过10℃,持续磁力搅拌2~3h,完成石墨的剥离;
三、将步骤二的烧杯转移至温度为30~50℃的水浴中,继续磁力搅拌,逐步加入部分步骤一中称取的去离子水,加入的体积为步骤一中称取的去离子水总体积的(1/6~1/2),控制反应温度为30~50℃,水浴反应30~60min,然后逐步加入余下的步骤一中称取的去离子水,控制反应温度不超过98℃,水浴反应30~120min,得到棕褐色混合物,然后向烧杯中加入双氧水,至混合物的颜色由棕褐色变成亮黄色;
四、用盐酸水溶液洗涤步骤三得到的亮黄色混合物,倾倒掉上层清液后,再用20~30℃去离子水过滤洗涤,所得沉淀在温度为40~60℃的真空干燥箱中烘干,得到氧化石墨烯;
五、将步骤四所得的氧化石墨烯加入到pH值为9~12的氢氧化钠溶液中,在真空条件下超声30~90min,然后以150~250r/min的转速磁力搅拌24~60h,用无水乙醇洗涤3~5次,所得沉淀在温度为40~60℃的真空干燥箱中干燥24~48h,得到水溶性石墨烯;其中氧化石墨烯与氢氧化钠溶液的比例是100mg∶(100~250mL)。
本实施方式的有益效果是:
1、石墨烯常温还原制备,在合成氧化石墨烯后,还原石墨烯的整个过程没有加热,在室温下进行,无污染绿色环保,降低生产成本,并且可以大规模生产,形成产业链,为各个领域应用提供保障;
2、石墨烯还原后直接带有官能基团,并且具有良好的水溶性;
3、本实施方式所制备的石墨烯具有可靠的稳定性和吸附性,所制备的石墨烯在pH为7~12的水溶液中的Zeta电位为40~60mV,石墨稀的溶解度为1.5~2.0mg/ml,可稳定的分散在水中4~6个月不出现沉淀,本实施方式所制备的石墨烯水溶液具有稳定的分散性。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中石墨粉与浓硫酸的比例是1g∶(40~70mL);石墨粉与硝酸钠的比例是1g∶(1.0~1.5g);石墨粉与高锰酸钾的比例是1g∶(5~8g);石墨粉与去离子水的比例是1g∶(120~180mL)。其它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:步骤二中的反应温度为5~8℃。其它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:步骤二中磁力搅拌的速度是100~200r/min。其它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:步骤三中逐步加入部分步骤一中称取的去离子水,加入的体积为步骤一中称取的去离子水总体积的(1/4~1/3),控制反应温度为35~45℃,水浴反应35~50min,然后逐步加入余下的步骤一中称取的去离子水,控制反应温度为80~95℃,水浴反应60~90min。其它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:步骤三中磁力搅拌的速度是100~200r/min。其它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:步骤三中所述双氧水的体积分数是30%。其它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:步骤四中盐酸水溶液的质量分数为3%~8%。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤五中超声的功率是100~400W。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤五中氧化石墨烯与氢氧化钠溶液的比例是100mg∶(120~200mL)。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:
本实施例常温下水溶性石墨烯绿色制备方法按以下步骤进行:
一、称取1g石墨粉、50mL质量分数为98%的浓硫酸、0.7g硝酸钠、5g高锰酸钾、100mL去离子水;
二、将干燥的烧杯置于冰浴中,向烧杯中加入步骤一中称取的石墨粉、浓硫酸和硝酸钠,搅拌混合均匀后,加入高锰酸钾,控制反应温度不超过8℃,以100/min的速度磁力搅拌2h,完成石墨的剥离;
三、将步骤二的烧杯转移至温度为35℃的水浴中,以120r/min的速度磁力搅拌,逐步加入30mL步骤一中称取的去离子水,控制反应温度为35~50℃,水浴反应30~60min,然后逐步加入余下的70mL步骤一中称取的去离子水,控制反应温度不超过98℃,水浴反应30~120min,得到棕褐色混合物,然后向烧杯中加入双氧水,至混合物的颜色由棕褐色变成亮黄色;
四、用质量分数为5%的盐酸水溶液洗涤步骤三得到的亮黄色混合物,倾倒掉上层清液后,再用40℃去离子水过滤洗涤,所得沉淀在温度为50℃的真空干燥箱中烘干,得到氧化石墨烯。
五、将步骤四所得的氧化石墨烯加入到pH值为10的氢氧化钠溶液中,在真空条件下超声60min,然后以200r/min的转速磁力搅拌36h,用无水乙醇洗涤3次,所得沉淀在温度为50℃的真空干燥箱中干燥24h,得到水溶性石墨烯;其中氧化石墨烯与氢氧化钠溶液的比例是100mg∶150mL。
本实施例的步骤二中,要反应充分氧化彻底,使硫酸分子充分插层到石墨中间,实现石墨剥离;步骤三中,双氧水的作用是中和未反应的高锰酸和二氧化锰,本实施例制备氧化石墨烯的优点是减少了预氧化过程,周期较短。
对本实施例所得的溶溶性石墨烯进行性能测试,结果如下:
图1是本实施例所制备的石墨烯的扫描电镜照片;从图中清晰可见石墨烯为多层,边缘卷曲。
图2是本实施例所制备的石墨烯的透射电镜照片;从图中清晰可见石墨烯是多层的、透明的并有褶皱。
图3是石墨的XRD谱图;在衍射峰为26.5°处出现了明显的石墨(002)衍射峰,层间距约为0.34nm。
图4是本实施例所制备的石墨烯(GN)和本实施例步骤四所得的氧化石墨烯(GO)的XRD谱图;其中标记有G(001)峰位的谱图是氧化石墨烯的XRD谱图;标记有G(002)峰 位的谱图是石墨烯的XRD谱图;石墨氧化后,石墨的特征峰26.5°(002)消失,出现了10.62°(001)峰,样品层间距增至0.885nm,这说明石墨氧化完全,形成了氧化石墨烯。氧化石墨烯经过NaOH的还原,10.62°(001)峰完全消失,出现了26.5°(002)馒头峰的形状,碳层间距缩小,说明氧化石墨烯被还原,少量石墨层又重新堆积成石墨结构,结果石墨烯样品衍射峰强度较弱,结晶度也明显下降。
图5是实施例一步骤四石墨经过浓硫酸、硝酸钠以及高锰酸钾氧化后形成GO的红外谱图;从图中可以看出,经过氧化之后,石墨结构中官能团的数量与强度明显提高。具体分析为:3420cm-1为O-H振动吸收峰,1728cm-1处出现羧酸-COOH官能团的-C=O的吸收峰,这说明氧化处理可以引入羧基对石墨结构进行修饰。1621cm-1为C-C骨架振动峰,表明经氧化处理之后石墨结构并未遭到破坏,仍然具有石墨的典型结构。1218为C-OH振动吸收峰,1028cm-1是C-O的振动吸收峰。
图6是实施例一所制备的石墨烯的红外光谱图,从图中可以看出,氢氧化钠还原与水合肼还原不同,并没有破坏原有氧化石墨烯上的官能团,只是官能团发生了偏移,但仍然有羧基和羟基的表面官能团,所以石墨烯同样能够稳定的分散在水中。
分别对抗癌药物5-氟嘧啶和阿司匹林两种药物进行负载试验,通过吸附药物试验得到相应的吸附结果如图7和图8所示。图7是实施例一所制备的石墨烯的吸附5-氟嘧啶的浓度与负载量关系图,图8是实施例一所制备的石墨烯的吸附阿司匹林的浓度与负载量关系图,结果表明,负载抗癌药物5-氟嘧啶的负载饱和为0.28mg/mg(即每克石墨烯负载0.28克5-氟嘧啶),负载阿司匹林的负载量为3.34mg/mg(即每克石墨烯负载3.34克阿司匹林)。
图9是实施例一所制备的石墨烯分散在pH为10的水溶液中的照片,本实施例所制备的石墨烯具有可靠的稳定性和吸附性,所制备的石墨烯在pH为10的水溶液中的Zeta电位为50mV,石墨稀的溶解度为2.0mg/ml,可稳定的分散在水中4~6个月不出现沉淀。根据文献(nature nanotechnology,2008,3,101-105;Nano Lett.,2008,8(6)1679-1682)和美国ASTM(American Society for Testing and Materials)D4187-82标准,Zeta电位大于±40mV的水溶液体系具有“好的稳定性”,本发明所制备的石墨烯水溶液具有稳定的分散性。
Claims (10)
1.常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于常温下水溶性石墨烯绿色制备方法按以下步骤进行:
一、称取石墨粉、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、去离子水;其中石墨粉与浓硫酸的比例是1g∶(20~80mL);石墨粉与硝酸钠的比例是1g∶(0.5~2.0g);石墨粉与高锰酸钾的比例是1g∶(3~10g);石墨粉与去离子水的比例是1g∶(100~200mL);浓硫酸的质量分数为98%;
二、将干燥的烧杯置于冰浴中,向烧杯中加入步骤一中称取的石墨粉、浓硫酸和硝酸钠,搅拌混合均匀后,加入高锰酸钾,控制反应温度不超过10℃,持续磁力搅拌2~3h,完成石墨的剥离;
三、将步骤二的烧杯转移至温度为30~50℃的水浴中,继续磁力搅拌,逐步加入部分步骤一中称取的去离子水,加入的体积为步骤一中称取的去离子水总体积的(1/6~1/2),控制反应温度为30~50℃,水浴反应30~60min,然后逐步加入余下的步骤一中称取的去离子水,控制反应温度不超过98℃,水浴反应30~120min,得到棕褐色混合物,然后向烧杯中加入双氧水,至混合物的颜色由棕褐色变成亮黄色;
四、用盐酸水溶液洗涤步骤三得到的亮黄色混合物,倾倒掉上层清液后,再用20~30℃去离子水过滤洗涤,所得沉淀在温度为40~60℃的真空干燥箱中烘干,得到氧化石墨烯;
五、将步骤四所得的氧化石墨烯加入到pH值为9~12的氢氧化钠溶液中,在真空条件下超声30~90min,然后以150~250r/min的转速磁力搅拌24~60h,用无水乙醇洗涤3~5次,所得沉淀在温度为40~60℃的真空干燥箱中干燥24~48h,得到水溶性石墨烯;其中氧化石墨烯与氢氧化钠溶液的比例是100mg∶(100~250mL)。
2.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤一中石墨粉与浓硫酸的比例是1g∶(40~70mL);石墨粉与硝酸钠的比例是1g∶(1.0~1.5g);石墨粉与高锰酸钾的比例是1g∶(5~8g);石墨粉与去离子水的比例是1g∶(120~180mL)。
3.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤二中的反应温度为5~8℃。
4.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤二中磁力搅拌的速度是100~200r/min。
5.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤三中逐步加入部分步骤一中称取的去离子水,加入的体积为步骤一中称取的去离子水总体积的(1/4~1/3),控制反应温度为35~45℃,水浴反应35~50min,然后逐步加入余下的步骤一中称取的去离子水,控制反应温度为80~95℃,水浴反应60~90min。
6.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤三中磁力搅拌的速度是100~200r/min。
7.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤三中所述双氧水的体积分数是30%。
8.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤四中盐酸水溶液的质量分数为3%~8%。
9.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤五中超声的功率是100~400W。
10.根据权利要求1所述的常温下水溶性石墨烯绿色制备方法,其特征在于步骤五中氧化石墨烯与氢氧化钠溶液的比例是100mg∶(120~200mL)。
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