CN106809831A - 一种利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，将可膨胀鳞片石墨加入到的浓硫酸(98％)溶液中，缓慢加入发烟硝酸，然后干燥。后微波膨胀，得到膨胀石墨；取上述膨胀石墨，加入到浓硫酸中，搅拌分散均匀后缓慢加入K2S2O8和P2O5，得到预氧化石墨；取预氧化石墨加入到膨胀剂中，根据膨胀剂膨胀系数的不同选择合适的反应温度，将上层清液倒掉、离心、水洗、1mHCl洗3次，直至ph为6左右为止，得到氧化石墨烯分散液。该膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法能够有效减少强酸废液，降低污染，保护环境，适合大规模生产，应用到工业生产的各个领域。

Description

一种利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法

技术领域

本发明属于纳米材料的制备领域，具体涉及一种利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，在移动设备、航空航天、新能源电池等领域有着非常巨大的应用前景。石墨烯材料的开发和推广极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯是石墨烯氧化后的产物，氧化石墨烯仍保持石墨烯的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团，这些功能团给石墨烯材料的应用带来了更多的可能，具有更高的应用价值。

但是，这种方法只适用于实验室少量制备用于研究，且大量制备容易产生大量的废酸、废水等，将引起环境的污染。因此，急需发展一种简单，对环境污染小的石墨烯制备方法。本发明所采用的膨胀石墨的方法可以有效避免使用浓酸，很大程度上减小了浓酸废液的排放，工艺简单，节能环保。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其技术方案包括以下步骤：

依次包括浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物、微波得膨胀石墨、再次与强酸反应得预氧化石墨、加入膨胀剂得到氧化石墨烯分散液。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，所述浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物中石墨为3—5g 300μm的可膨胀鳞片石墨，浓硫酸为150—250ml的浓硫酸(98％)，浓硝酸为30-50ml发烟硝酸。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，所述的微波得膨胀石墨需用1000W微波膨胀一分钟。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，所述的预氧化石墨过程需将膨胀石墨加入到200-300ml浓硫酸中，再缓慢加入3.6-4.2g K₂S₂O₈和5.4-6.2gP₂O₅，搅拌温度为60-80摄氏度，时间为4小时，稀释的水为去离子水。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其所述的大片层氧化石墨烯指制得的氧化石墨烯片层数为10到50之间。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，制得的石墨层间化合物需要在60摄氏度干燥24h以上，使含水率在0.5％以下。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其所述的用去离子水稀释后过滤、水洗的目的是把为膨胀的石墨去除，需多进行几次。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，所用的膨胀剂为具有较大膨胀系数的盐类，在低温或高温下体积可迅速膨胀。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，可膨胀石墨与膨胀剂按照1:1～1:100的比例混合，根据不同的膨胀剂设定不同的搅拌时间。

优选地，上述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，选择不同的膨胀剂，根据其膨胀系数来设定不同的搅拌温度，低温时，可使用冰浴或液氮的方式对可膨胀石墨和膨胀剂的混合液降温。

(1)将可膨胀鳞片石墨加入到的浓硫酸(98％)溶液中，搅拌分散均匀后，缓慢加入发烟硝酸，然后冰浴搅拌。然后倒入水中稀释，冷却至常温后过滤水洗，干燥24h。后微波膨胀，得到膨胀石墨。

(2)取上述膨胀石墨，加入到浓硫酸中，搅拌分散均匀后缓慢加入K₂S₂O₈和P₂O₅，搅拌，然后倒入水中稀释、冷却、水洗、室温干燥48h，得到预氧化石墨。

(3)取上述预氧化石墨加入到膨胀剂中，根据膨胀剂膨胀系数的不同选择合适的反应温度，而后搅拌，后倒入2L水稀释，静置，将上层清液倒掉、离心、水洗、1mHCl洗3次，直至ph为6左右为止，即得到氧化石墨烯分散液。

2、传统氧化石墨烯采用Hummers法制备，以K₂MnO₄作为氧化剂，实验证明，该方法产率较低。本发明突破性的采用膨胀剂来对石墨间层进行膨胀的方法，这样不仅简化了制备步骤，还减小了废液污染。

3、其中所述的浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物指，在强氧化剂作用下，石墨晶体中原来以sp杂化结合成的平面网状大分子转变成带有正电荷的平面大分子，使具有极性的硫酸分子和硫酸氢根负离子***石墨层形成石墨层间化合物。

4、其中所述的微波得膨胀石墨指，石墨层间化合物在微波条件下，平面大分子间的极性的硫酸分子和硫酸氢根负离子吸收能量生成SO₂气体逸出，从而使石墨层之间距离增大形成膨胀石墨。

5、其中所述的再次与强酸反应得预氧化石墨指，经过微波膨胀膨胀后的石墨，片层之间距离增大，能够与强酸充分反应，使更多的具有极性的硫酸分子和硫酸氢根负离子***石墨层，便于下一步膨胀剂***石墨间层。

6、膨胀剂加入到石墨间层后，对其进行低温或高温处理，使得膨胀剂体积膨胀，得到性能更为优异的氧化石墨烯。

具体实施方式

实施例1

(1)本工艺中采用的原料为3g 300微米天然鳞片石墨，先将石墨加到150ml浓硫酸中，搅拌分散均匀后在缓慢加入30ml硝酸，然后冰浴搅拌24小时。

(2)将得到的混合物倒入1000ml的去离子水中稀释，冷却至常温后过滤水洗，60度干燥24小时。后1000W微波膨胀，直至所有石墨都变为絮状。

(3)在加入3.6g K₂SO₈和5.4g P₂O₅时需缓慢进行，后60度搅拌5h。倒入2L水中稀释、冷却至常温后抽滤水洗。室温干燥48h。

(4)将得到的预氧化石墨加入到300ml Sc₂W溶液中，室温下充分搅拌24h，然后将搅拌充分的预氧化石墨与Sc₂W混合物放入冰水中是指迅速降温，得到预氧化石墨烯分散液。

实施例2

前三个步骤与实例1一致，最后将预氧化石墨加入碳酸氢铵溶液中，室温下充分搅拌24h，然后将搅拌充分的预氧化石墨与碳酸氢铵的混合物进行加热，得到预氧化石墨烯分散液。

上述具体的实施方式，只是对本发明的优先实施的描述，并不能构成本发明保护范围的限制。本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种修改和变形，均应落入发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于：依次包括浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物、微波得膨胀石墨、再次与强酸反应得预氧化石墨、加入膨胀剂得到氧化石墨烯分散液。

2.根据权利要求1所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物中石墨为3—5g 300μm的可膨胀鳞片石墨，浓硫酸为150—250ml的浓硫酸(98％)，浓硝酸为30-50ml发烟硝酸。

3.根据权利要求1或2所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述的微波得膨胀石墨需用1000W微波膨胀一分钟。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述的预氧化石墨过程需将膨胀石墨加入到200-300ml浓硫酸中，再缓慢加入3.6-4.2g K₂S₂O₈和5.4-6.2g P₂O₅，搅拌温度为60-80摄氏度，时间为4小时，稀释的水为去离子水。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，其所述的大片层氧化石墨烯指制得的氧化石墨烯片层数为10到50之间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，制得的石墨层间化合物需要在60摄氏度干燥24h以上，使含水率在0.5％以下。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，其所述的用去离子水稀释后过滤、水洗的目的是把为膨胀的石墨去除，需多进行几次。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所用的膨胀剂为具有较大膨胀系数的盐类，在低温或高温下体积可迅速膨胀。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，可膨胀石墨与膨胀剂按照1:1～1:100的比例混合，根据不同的膨胀剂设定不同的搅拌时间。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的利用膨胀剂膨胀石墨制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，选择不同的膨胀剂，根据其膨胀系数来设定不同的搅拌温度，低温时，可使用冰浴或液氮的方式对可膨胀石墨和膨胀剂的混合液降温。