CN103626168B - 一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：a、采用酸素石墨或处理后酸素石墨为原料，对原料进行高温处理和原位还原处理，制备氧化石墨烯不进行还原处理；b、加入分散剂和非化学键修饰剂；c、通过机械剥离，然后分离得到石墨烯/氧化石墨烯。它具有明显的理论和工艺创新性；原料便宜且易于大量获取；制备方法的工艺绿色无污染；制备工艺设备相对简单、易操作，工艺易控制，容易规模化生产；制备出的石墨烯/氧化石墨烯性能优异、缺陷少；石墨烯/氧化石墨烯制备成本显著降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米材料制备技术，尤其涉及一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯是单独存在的具有二维有序结构的单层石墨片，氧化石墨烯是石墨烯的氧化物。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但一直以来被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出这种具有单层碳二维结构的石墨烯，证实了它可以单独存在。
石墨烯和氧化石墨烯具有优异的力学、热学、电学性能和光学性质，如：石墨烯的强度可达130GPa，是目前所知强度最高的材料；热导率可达5000W·m-1·k-1，是金刚石的3倍；石墨烯载流子迁移率高达15000cm2·V-1·S-1，是商用硅片的10倍以上。石墨烯还具有巨大的比表面积、室温量子霍尔效应和良好的铁磁性，是目前已知的在常温下导电性能最好的材料。由于石墨烯和氧化石墨烯具有上述优异的性能，使其有望在微电子、能源、信息、材料和生物医药等领域获得重要应用。目前制约石墨烯材料研究和应用的主要因素为：石墨烯难以规模化制备和制备过程中质量和产率难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法。该制备方法所用原料便宜，制备工艺设备相对简单、易操作，工艺易控制，产品质量稳定，易于规模化生产，因此具有重要的工业应用潜力。
本发明是这样来实现的，一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
a、采用酸素石墨为原料，对原料进行高温处理和原位还原处理，制备氧化石墨烯不进行原位还原处理；
b、加入分散剂和非化学键修饰剂；
c、通过机械剥离，然后分离得到高品质的石墨烯/氧化石墨烯。
作为优选，步骤a中高温处理温度为200-1200℃，处理环境为空气、真空、氮气或惰性气体。
作为优选，步骤a中原位还原处理温度为200-1200℃，还原介质为氮氢混合气氛。
作为优选，步骤a中高温处理和原位还原处理可同时进行或分别进行。
作为优选，步骤b中分散剂的加入量为质量比0.05%-20.00%。
作为优选，步骤b中非化学键修饰剂的加入量为质量比0.05%-20.00%。
作为优选，所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸钠、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、草酸钠、甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。
作为优选，所述非化学键修饰剂为十二烷基苯磺酸钠、吡啶、四羧酸二萘嵌苯（PTCA）、四羧酸二酐二萘、嵌苯（PTCDA）、磺化聚苯胺、聚3-己基噻吩（P3HT）中的一种或几种。
作为优选，所述机械剥离法为球磨法、搅拌磨法、行星磨法。
作为优选，所述分离法为离心分离法。
本发明的技术效果是：具有明显的理论和工艺创新性；以酸素石墨或处理后的酸素石墨为原料，原料便宜且易于大量获取；制备方法的工艺绿色无污染；制备工艺设备相对简单、易操作，容易通过控制工艺参数控制产品质量和产率，容易规模化生产；制备出的石墨烯/氧化石墨烯性能优异、缺陷少；石墨烯/氧化石墨烯制备成本显著降低。因此具有重要的工业应用潜力。
附图说明
图1为本发明中制备石墨烯的工艺流程图。
图2为本发明中制备氧化石墨烯的工艺流程图。
图3为实施例1制备所得石墨烯的显微组织形貌。
图4为实施例2制备所得石墨烯的显微组织形貌。。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合附图和实施例对本发明的优选实施方式进行详述。
按图1所示工艺流程图制备石墨烯，首先在空气、真空、氮气或惰性气体环境下，以200-1200℃高温处理酸素石墨原料；再在氮氢混合气氛下，在200-1200℃进行原位还原处理；然后加入质量比0.05%-20.00%的分散剂和质量比质量比0.05%-20.00%的非化学键修饰剂，进行机械剥离，最后离心分离得到石墨烯。
按图2所示工艺流程图制备氧化石墨烯，首先在空气、真空、氮气或惰性气体环境下，以200-1200℃高温处理酸素石墨原料；然后加入质量比0.05%-20.00%的分散剂和质量比质量比0.05%-20.00%的非化学键修饰剂，进行机械剥离，最后离心分离得到氧化石墨烯。
实施例1
取一定量酸素石墨，在空气中1000℃处理1小时，然后在5.0%H2的氮氢混合气中1000℃原位还原处理1小时，再加入质量比2.0%的聚乙二醇和质量比2.0%的十二烷基苯磺酸钠，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨12小时，经高速离心机10000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的石墨烯。图3示出了本实施例制备所得石墨烯的显微组织形貌。
实施例2
取一定量酸素石墨，在空气中1000℃处理0.5小时，然后再加入质量比2.0%的甲基纤维素钠和质量比2.0%的磺化聚苯胺，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机9000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。图4示出了本实施例制备所得氧化石墨烯的显微组织形貌。
实施例3
取一定量酸素石墨，在氮气中1200℃处理1小时，然后在10.0%H2的氮氢混合气中200℃原位还原处理5小时，再加入质量比0.05%的六偏磷酸钠和质量比20.0%的四羧酸二萘嵌苯，与水配成浓度为80.0%的浆体，在搅拌磨中研磨12小时，经高速离心机10000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的石墨烯。
实施例4
取一定量酸素石墨，在氦气中200℃处理4小时，然后在10.0%H2的氮氢混合气中1200℃原位还原处理0.5小时，再加入质量比20.00%的聚丙烯酰胺和质量比5.0%的四羧酸二酐二萘，与水配成浓度为80.0%的浆体，在行星磨中研磨12小时，经高速离心机10000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的石墨烯。
实施例5
取一定量酸素石墨，在空气中800℃处理2小时，然后在8.0%H2的氮氢混合气中700℃原位还原处理1.5小时，再加入质量比3.0%的脂肪酸聚乙二醇酯和质量比2.0%的四羧酸二酐二萘，与水配成浓度为80.0%的浆体，在行星磨中研磨12小时，经高速离心机10000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的石墨烯。
实施例6
取一定量酸素石墨，在真空条件下500℃处理3小时，然后再加入质量比3.0%的聚乙烯醇和质量比0.05%的聚3-己基噻吩，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨15小时，经高速离心机8000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
实施例7
取一定量酸素石墨，在氩气条件下1200℃处理1小时，然后再加入质量比5.0%的十二烷基硫酸钠和质量比5.0%的嵌苯，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机8000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
实施例8
取一定量酸素石墨，在空气条件下1000℃处理1小时，然后再加入质量比2.0%的三聚磷酸钠和质量比5.0%的吡啶，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机8000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
实施例9
取一定量酸素石墨，在空气中1000℃处理0.5小时，然后再加入质量比10.0%的甲基纤维素钠和质量比2.0%的磺化聚苯胺，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机9000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
实施例10
取一定量酸素石墨，在空气中1000℃处理0.5小时，然后再加入质量比10.0%的草酸钠和质量比2.0%的十二烷基苯磺酸钠，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机9000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
实施例11
取一定量酸素石墨，在空气中600℃处理2小时，然后再加入质量比2.0%的三乙基己基磷酸钠和质量比6.0%的四羧酸二萘嵌苯，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机9000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
实施例12
取一定量酸素石墨，在空气中600℃处理2小时，然后再加入质量比1.0%的甲基戊醇和质量比20.0%的十二烷基苯磺酸钠，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机9000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
实施例13
取一定量酸素石墨，在空气中1100℃处理0.5小时，然后再加入质量比5.0%的焦磷酸钠和质量比2.0%的十二烷基苯磺酸钠，与水配成浓度为80.0%的浆体，在球磨机中2000转/分钟球磨10小时，经高速离心机9000转/分钟分离，便可得到在水溶液中分散性良好的氧化石墨烯。
上述实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但并不能理解为对本发明保护范围的限制，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征是包括如下步骤：a、采用酸素石墨为原料，对原料进行高温处理和原位还原处理，制备氧化石墨烯不进行还原处理；b、加入分散剂和非化学键修饰剂；c、通过机械剥离，然后分离得到石墨烯/氧化石墨烯，其中，步骤a中高温处理温度为200-1200℃，处理环境为空气、真空、氮气或惰性气体；步骤a中原位还原处理温度为200-1200℃，还原介质为氮氢混合气氛。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述分散剂的加入量为质量比0.05%-20.00%。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述非化学键修饰剂的加入量为质量比0.05%-20.00%。
4.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸钠、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、草酸钠、甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。
5.根据权利要求1或3所述的一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述非化学键修饰剂为十二烷基苯磺酸钠、吡啶、四羧酸二萘嵌苯、四羧酸二酐二萘、嵌苯、磺化聚苯胺、聚3-己基噻吩中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述机械剥离法为球磨法、搅拌磨法、行星磨法。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述分离法为离心分离法。
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