CN109437162B - 一种生产还原氧化石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生产还原氧化石墨烯的方法。所述方法包括步骤：将官能团上结合有杂质离子并具有第一层数的氧化石墨烯、络合剂与酸性溶液混合，得混合液；超声震荡，使杂质离子脱除并与络合剂结合；过滤，得纯化后氧化石墨烯；将纯化后氧化石墨烯分散在水中以形成水凝胶；将水凝胶置于第一温度和第一压强下，得具有第二层数氧化石墨烯，第二层数小于第一层数；将得到的氧化石墨烯置于惰性气氛中；通过微波和光波辐照使氧化石墨烯迅速升温至500℃以上，得还原氧化石墨烯。本发明的有益效果包括：能够有效地提高氧化石墨烯纯化的彻底性；经冷冻干燥的氧化石墨烯片层层间距大，层数少；光微波还原过程中的加热速度快、加热均匀，还原效率高。

Description

一种生产还原氧化石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及还原氧化石墨烯的制备领域，具体来讲，涉及一种生产还原氧化石墨烯的方法。

背景技术

21世纪初，科学界出现了纳米石墨片这种材料。2006年，英国The University ofManchester的两名科学家通过机械剥离的方法巧妙地制备了单层石墨，从而正式揭开了石墨烯这种材料的面纱，两人也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。理想的石墨烯材料有单层石墨构成，其碳原子与碳原子之间通过sp₂杂化轨道相连接，而形成稳定的六元环结构。研究发现，石墨烯材料具有良好的各种物理化学性质。例如：比金属金更加好的电子导通性、比钢更好的机械强度、超大的比表面积、良好的光学性能、超导等。鉴于这些特殊的性质，石墨烯材料在军事、交通、移动设备等方面有巨大的应用潜力。

在工业生产中，应用氧化插层法可以大规模制取氧化石墨烯粉体。氧化插层法生产的氧化石墨烯浆料中含有大量的杂质离子，现有氧化石墨烯的在纯化过程中存在效率低，洗涤效果差等问题；生产的氧化石墨烯中层数也较多，即生产得到的氧化石墨烯品质不高。

而且，因氧化石墨烯的特性，目前市面上大多采用化学试剂还原(如硼氢化钠、碘化氢、抗坏血酸等化学还原剂)、高温热还原、等离子体方法等。现有的氧化石墨烯还原方法在生产过程中具有以下问题：一是采用化学试剂还原，需要用到大量的化学试剂，带来的副产物增加，后续清洗难度加大，环保风险增加，导致成本增加；二是采用高温热还原，氧化石墨烯还原温度较高，不同的还原温度得到的产品质量均匀性无法保证，同时也会带来产品灰分增加，设备腐蚀严重等问题；三是采用其他还原方法(如等离子体)，生产技术难点、成本会成倍增加，无法得到工业化大规模应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种生产还原氧化石墨烯的方法，所述方法制备出杂质含量少、层数少的还原氧化石墨烯。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种生产还原氧化石墨烯的方法。所述方法可包括以下步骤：将官能团上结合有杂质离子并具有第一层数的氧化石墨烯、络合剂与酸性溶液混合，形成混合液，其中，所述第一层数为十数层至数十层；对所述混合液进行超声震荡，以使氧化石墨烯所结合的杂质离子脱除并与络合剂稳定结合；过滤，得到纯化后的氧化石墨烯；将纯化后的氧化石墨烯分散在水中，并形成氧化石墨烯水凝胶；将氧化石墨烯水凝胶置于第一温度和第一压强下，以使氧化石墨烯水凝胶中的水分子凝结成冰分子并凝华，从而得到具有第二层数的氧化石墨烯，所述第二层数小于所述第一层数，所述第一温度为不高于-50℃且温度变化不超过±4℃，所述第一压强为低于1个大气压且压强变化不超过±100Pa；将具有第二层数的氧化石墨烯置于惰性气氛中；通过微波和光波辐照使具有第二层数的氧化石墨烯迅速升温至500℃以上，以分解其所带官能团并减少其层数，得到还原氧化石墨烯，其中，微波能够以行波的方式透过所述具有第二层数的氧化石墨烯。

根据本发明的一个示例性实施例，所述氧化石墨烯所结合的杂质离子可包括金属杂质离子，例如可包括Mn²⁺、K⁺和Fe³⁺中的至少一种。

根据本发明的一个示例性实施例，所述官能团上结合有杂质离子的氧化石墨烯中的所述杂质离子的重量百分比含量为0.01～1％，例如0.1％。

根据本发明的一个示例性实施例，所述纯化后氧化石墨烯中杂质离子的重量百分比为不高于0.01％。

根据本发明的一个示例性实施例，所述络合剂的加入量为能够与杂质离子络合反应的理论量的1.0～1.2倍。

根据本发明的一个示例性实施例，所述酸性溶液包括浓度为0.005～0.02mol/L的盐酸溶液或浓度为0.01～0.04mol/L的硫酸溶液。

根据本发明的一个示例性实施例，所述酸性溶液的pH为0.1～6。

根据本发明的一个示例性实施例，所述过滤步骤包括通过过滤膜进行过滤，并可在过滤膜的下方设置抽滤机构来进行减压抽滤。

根据本发明的一个示例性实施例，所述抽滤减压的压强范围可以是10～100Pa。

根据本发明的一个示例性实施例，所述进行超声震荡时，超声波的频率为50～750Hz。

根据本发明的一个示例性实施例，所述第一层数可为20～30层，所述第二层数可为5～7层。

根据本发明的一个示例性实施例，所述第一温度可在-55～-65℃范围内选择且温度变化不超过±2℃。

根据本发明的一个示例性实施例，所述第一压强可在10～100Pa的范围内选择且压强变化不超过±10Pa。

根据本发明的一个示例性实施例，所述氧化石墨烯水凝胶的固含量可为0.1～50wt％。

根据本发明的一个示例性实施例，所述将具有第二层数的氧化石墨烯置于惰性气氛中的步骤可包括：通过气体将具有第二层数的氧化石墨烯送入内部充满氮气或惰性气体的管状容器中；其中，所述管状容器的两端具有开口，所述气体能够从管状容器的一个开口流入，所述气体包括氮气或惰性气体。

根据本发明的一个示例性实施例，所述方法还可包括步骤：在得到还原氧化石墨烯之后，通过抽滤的方式将还原氧化石墨烯从管状容器的另一个开口中取出。

根据本发明的一个示例性实施例，所述气体在所述管状容器内的流速可在10cm³/s以下，例如1～8cm³/s；所述气体能够送入氧化石墨烯的量可在1g/cm³以下，例如0.5±0.3g/cm³。

根据本发明的一个示例性实施例，所述光波和微波的辐照时间可在10min以下，例如5±3min。

根据本发明的一个示例性实施例，所述微波和光波辐照的方向与所述气体在管状容器内流动方向可相互垂直。

根据本发明的一个示例性实施例，所述管状容器内的真空度可在100Pa以下。

根据本发明的一个示例性实施例，所述管状容器可包括石英管，所述微波和光波能够透过石英管管壁辐照氧化石墨烯。

根据本发明的一个示例性实施例，所述光波可包括红外线或者远红外线。

根据本发明的一个示例性实施例，所述方法还可包括步骤：对所述得到的还原氧化石墨烯进行冷却、干燥。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够有效地使氧化石墨烯和杂质离子分离，可以提高氧化石墨烯纯化的彻底性；氧化石墨烯的纯化效率高、成本低。冷冻干燥过程不会破坏纯化后氧化石墨片层的结构，能够较好的保存官能团，经冷冻干燥后的氧化石墨不易发生团聚现象。经冷冻干燥的氧化石墨烯片层层间距大于其他干燥方法干燥后的氧化石墨烯产品，具有更优异的分散性能、更少的层数和更大的比表面积；光微波还原过程中的加热速度快、加热均匀，无热惯性，节能高效，还原效率高，而且能够实现对氧化石墨烯的选择性氧化。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例中生产还原氧化石墨烯的方法的流程示意图。

图2示出了本发明一个示例性实施例中的微波、光波辐射***与管状容器位置关系的一个示意图。

主要图例说明：

1-石英管；2-光波管；3-微波谐振腔。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的生产还原氧化石墨烯的方法。

制备石墨烯可以将氧化石墨烯作为原料，而氧化石墨烯中往往会结合有杂质离子，这就导致氧化石墨烯的纯度不高，生产出的石墨烯中往往会有较高的杂质含量；而且氧化石墨烯的层数较多，层间间距小，这就导致生产出的氧化石墨烯品质不是很优异。现有的还原氧化石墨烯中加热环节中常采用传统的加热方式，而传统的加热方式是通过热传导、对流、热辐射等先将热量传递给物体表面，再通过热传导逐步使物体中心温度升高，它要使中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间就更长。

为此，本发明提出了一种生产还原氧化石墨烯的方法。图1示出了本发明一个示例性实施例中生产还原氧化石墨烯的方法的一个流程示意图。图2示出了本发明一个示例性实施例中的微波、光波辐射***与管状容器位置关系的一个示意图。

在本发明的一个示例性实施例中，所述生产还原氧化石墨烯的方法可包括以下步骤：

将络合剂、酸性溶液与氧化石墨烯混合，形成混合液，如图1中的步骤S01。其中，氧化石墨烯的官能团上结合有杂质离子并具有第一层数。所述第一层数为十数层至数十层，例如，20～30层。氧化石墨烯的官能团上结合的杂质离子可包括Mn²⁺、K⁺和Fe³⁺中的至少一种。

对所述混合液进行超声震荡，以使氧化石墨烯所结合的杂质离子脱除并与络合剂稳定结合，如图1中的步骤S02。在超生波的作用下，与氧化石墨烯结合的杂质离子会与其脱离并与结合性更好的络合剂相结合，同时由于超声的作用，氧化石墨烯可以更好的分散并与H⁺结合，不会在向络合剂争夺金属离子。

过滤，得到纯化后的氧化石墨烯，如图1中的步骤S03。

将纯化后的氧化石墨烯分散在水中，并形成氧化石墨烯水凝胶，如图1中的步骤S04。在分散过程中，优选通过超声分散进一步强化分散效果，从而使水分子充分进入到氧化石墨烯的片层结构中或者褶皱中，或者与氧化石墨烯表面的官能团结合成水合离子，形成氧化石墨烯水凝胶。氧化石墨烯水凝胶具有在其自身的氧化石墨烯的片层或者褶皱中结合有水分子的结构。氧化石墨烯水凝胶的固含量可以为0.1～50wt％。用于分散氧化石墨烯的水优选为二次去离子水。

对氧化石墨烯水凝胶进行低温真空冷冻干燥，得到具有第二层数的氧化石墨烯，如图1中的步骤S05。其中，可将氧化石墨烯水凝胶置于第一温度和第一压强下，以使氧化石墨烯水凝胶中的水分子凝结成冰分子并凝华，从而得到具有第二层数的氧化石墨烯。并且，第一温度被控制为不高于-50℃且第一温度的温度变化始终不超过±4℃，第一压强被控制为低于1个大气压且第一压强的变化始终不超过±100Pa。进一步讲，第一温度可以在-55～-65℃范围内选择且温度变化不超过±2℃。第一压强可以在10～100Pa的范围内选择且压强变化不超过±10Pa。所述第二层数小于所述第一层数。所述第二层数小于所述第一层数。第二层数相比第一层数可具有明显的下降。这里，第二层数可以为第一层数的1/3～1/6。例如，第二层数可以为5～7层。

将具有第二层数的氧化石墨烯置于惰性气氛中，如图1中的步骤S06。例如，可将所述具有第二层数的氧化石墨烯送入充满氮气或惰性气体的容器中。其中，所述容器可包括两端具有开口的管状容器。进一步地，可包括水平横向设置且左右两端具有开口的管状容器。

通过微波和光波辐照，使所述具有第二层数的氧化石墨烯迅速升温至500℃以上，以分解其所带官能团并减少其层数，得到还原氧化石墨烯(即对氧化石墨烯进行还原之后的产物)，如图1中的步骤S07。其中，微波能够以行波的方式透过氧化石墨烯，本发明通过微波单向传输，形成了不断传输的行波波形，这能够能避免驻波效应引起的局部高温现象，能够提高氧化石墨烯处理的一致性。微波的频率可为300MHz～300GHz，进一步地，可为800MHz～250GHz。所述光波的频率可为3×10¹¹～3.8×10¹⁴Hz，进一步地，可为2×10¹²～2.5×10¹⁴Hz。通过微波和光波的同时作用，氧化石墨烯能够迅速升温至500度以上，其所带官能团会迅速分解，由于其所带官能团为含氧官能团，会在分解瞬时产生大量的气体，如水蒸气、二氧化碳等产生，气体在氧化石墨烯片层间膨胀，能够使制备得到的材料的层数更少，比表面积更大。进一步地，微波和光波能够使氧化石墨烯的温度升至500～1000℃，例如800±150℃。加热过程的主要加热源可是微波，光波可以起到辅助的作用，两者联合起来可以使被加热的氧化石墨烯温度迅速升高，有利于其脱氧处理。

在本实施例中，作为原料的氧化石墨烯的层数可为数十层以上，例如30～50。低温冷干后的氧化石墨烯的层数可为10层以下，例如6～8层。

由于经光微波还原对象的层数低，反应得到的还原氧化石墨烯的层数可更低，例如在4层以下，甚至3层以下。

将所述纯化，氧化石墨烯上的杂质离子可充分脱除，脱除率可在99％以上。经光微波还原后，氧化石墨烯上官能团也能够充分的脱除，脱除率可到85％以上，例如95％。

在本实施例中，所述官能团上结合有杂质离子的氧化石墨烯可以通过氧化插层法得到，氧化石墨烯官能团上的杂质离子的重量百分比含量可为0.01～1％，例如0.1％。

在本实施例中，所用的原料也可为浆料，例如氧化插层法制得的氧化石墨烯浆料，浆料中的氧化石墨烯官能团上也结合有杂质离子并具有第一层数。

所述浆料中氧化石墨烯的含量可为0.01～100g/L，氧化石墨烯上杂质离子的质量占比可为0.01～1％。所述络合剂的加入量为能够与杂质离子络合反应的理论量的1.0～1.2倍。

在本实施例中，所述含有官能团并含有杂质的氧化石墨烯也可通过以下方法制备得到：

称取重量比为0.8～1.2:0.4～0.6:2～4的石墨、硝酸钾和高锰酸钾均匀混合，加入浓硫酸，得到第一混合物。进一步地，所述石墨、硝酸钾和高锰酸钾的质量比可以是0.85～1.1:0.4～0.6:2～3，例如，石墨、硝酸钾和高锰酸钾的质量比可以是1:0.5:3。所述浓硫酸的加入量可以是经验值，例如5g～150g的石墨对应加入115mL～3450mL 98％的浓硫酸。所述石墨可以为膨胀石墨或者鳞片石墨中的一种。

将第一混合物分别在0℃～4℃、35℃～45℃和80℃～100℃三个温度段下进行氧化处理，得到第二混合物。所述第一混合物需要经历低温、中温和高温三个恒温氧化时间段。在所述0℃～4℃的反应时间可以为3h～40h，在35℃～45℃的反应时间可以为2h～6h，在80℃～100℃的反应时间可以为5min～15min。所述氧化剂可以是双氧水。当然，本发明在上述各个温度段下反应的时间不限于此，可以根据实际反应情况进行调节。

在第二混合物中加入氧化剂进行氧化，酸洗，水洗，得到含有官能团并含有杂质的氧化石墨烯。所述氧化剂可以为双氧水。

在本实施例中，络合剂可包括柠檬酸、柠檬酸钠、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、乙二胺四乙酸钠、聚丙烯酸、葡萄糖酸钠或海藻酸钠。

所述络合剂的加入量为能够与杂质离子络合反应的理论量的1.0～1.2倍。

在本实施例中，所述酸性溶液能够提供反应所需的液体反应环境。酸性溶液可包括浓度为0.005～0.02mol/L的盐酸溶液或浓度为0.01～0.04mol/L的稀硫酸溶液，进一步地，稀盐酸浓度可为0.01mol/L，稀硫酸浓度可为0.02mol/L。

进一步地，酸性溶液可包括稀盐酸溶液，这是因为插层氧化法制备的氧化石墨烯本体中会含有一定量的硫酸，利用稀盐酸能够更快速的清洗氧化石墨烯。

在本实施例中，在进行超声震荡时，超声波的频率可为50～750Hz，该范围的超声频率能够使氧化石墨烯官能团上的杂质离子更好的脱除。

超声震荡的时间很短，例如可在2min以内，这样就能够使杂质离子脱离，而且不会对氧化石墨烯的结构(例如尺寸等)产生影响。

在本实施例中，经纯化，氧化石墨烯上杂质的去除率可达99％以上，例如所述纯化后氧化石墨烯的杂质离子的重量百分比可不高于0.01％。

在本实施例中，可通过过滤膜来进行过滤，以使纯化后的氧化石墨烯和包含杂质的溶液相分离。其中，氧化石墨烯留在过滤层上，含有杂质的溶液能够透过过滤膜。所述过滤膜可包括聚碳酸酯膜(即PC膜)。

还可在过滤层的下方设置减压抽滤装置，以使含有杂质的溶液更好的透过过滤层。其中，可通过在过滤膜下设置真空泵来实现减压抽滤。抽滤减压的压强范围可以是10～100Pa。

在本实施例中，当使用过滤膜进行过滤时，所述方法还可包括步骤：在过滤膜之上设置缓冲保护层，以吸收并缓冲超声震荡时超声波对过滤膜的影响。缓冲保护层能够吸收超声处理剩余的能量，以减少超声能量对过滤层的损害，例如，当过滤部件为聚碳酸酯膜(即PC膜)时，过剩的超声能量能够对其造成伤害。所述缓冲保护层可包括海绵，海绵的厚度可为1～100cm。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：对所述纯化后的氧化石墨烯进行检测离子浓度检测，以确定氧化石墨烯是否还需要继续进行纯化。其中，可通过ICP(InductivelyCoupled Plasma，感应耦合等离子体)离子浓度检测器进行检测。

在本实施例中，可以通过传送机构(例如，履带)将盛放有氧化石墨烯水凝胶的容器(例如，坩埚)传送至低温低压冷却装置中，以实现对氧化石墨烯水凝胶中的水分子的凝结和凝华，从而完成对氧化石墨烯水凝胶的低温低压冷却干燥，得到具有期望的低层数氧化石墨烯。

在本实施例中，在冷干步骤中，通过将第一温度控制为不高于-50℃且将第一压强控制为不高于1个标准大气压，能够使水分子变成冰分子，通过体积膨胀，进一步的拓宽石墨的片层结构；而且冰在低温低压下会凝华挥发，温度低，“熵”值低，能够使得氧化石墨烯被撑开的结构得以保持，使制备的氧化石墨烯材料分散性好、比表面积大。而且，通过相对恒定的低温温度(例如，不高于-50℃且控制整个冷干腔的腔体内的温度变化不超过±4℃)和相对恒定的真空度(例如，低于1个大气压且控制整个腔体内的压强变化不超过±100Pa)，有利于使水分子的凝结速度和程度相对稳定，因此，对氧化石墨烯层的“撑开”效果稳定；而且有利于使冰分子的凝华速度和程度相对稳定，因此，也有利于一定程度避免因氧化石墨烯层的局部应力而导致的局部缺陷。更进一步讲，通过控温单元和控压单元将冷干腔的气氛控制为温度在-55～-65℃范围内且控制整个腔体内的温度变化不超过±2℃，以及压强控制在10～100Pa且控制整个腔体内的压强变化不超过±10Pa，更加有利于使水分子的凝结速度和程度进一步稳定，从而对氧化石墨烯层的“撑开””效果稳定；而且有利于使冰分子的凝华速度和程度进一步稳定，从而也有利于进一步避免因氧化石墨烯层的局部应力而导致的局部缺陷。

在本实施例中，可通过气流将所述具有第二层数的氧化石墨烯送入管状容器。也可通过气流将得到的还原氧化石墨烯送出管状容器。换而言之，可在管状容器的一个开口通入负载有氧化石墨烯的气流；所述气流能够携带(或推动)物料流经管状容器的腔体；在流动过程中，氧化石墨烯会被还原为还原氧化石墨烯；最终气流负载(或推动)着还原氧化石墨烯从管状容器的另一个开口流出。所述气流中的气体可包括氮气或惰性气体。

其中，气体在管道容器内的流速可为10cm³/s以下，能够使氧化石墨烯顺利进入管状容器中，以使其被微波充分还原。进一步地，气体流速可为0.01～8cm³/s，再进一步地，可为2～5cm³/s。

所述气流上负载(或承载)的氧化石墨烯的量可为10g/cm³以下，例如0.1～10g/cm³，进一步地，可为2～10g/cm³。

针对上述的氧化石墨烯，所述光波的功率可为200～500W，所述微波的功率可为500～5500W，例如2000W。光波和微波的处理时间相同，可控制在10mim以下，例如可为30s、2min或7min等。

在本实施例中，本发明能够通过光微波的功率、处理的时间来实现对氧化石墨烯的选择性氧化，即可根据需求得到不同含氧量的还原氧化石墨烯。

在本实施例中，所述微波和光波辐照的方向可与所述气流的方向相互垂直。这样能够使光波和微波能够更好的穿透氧化石墨烯，充分辐照，避免因物料体积变大而导致微波反射，进而影响深层颗粒的辐照。

在本实施例中，所述管状容器可包括横向设置在石英管。石英管是透明的，不会隔绝光线与微波的穿透效果，具有对光波、微波的无阻断特性，即所述微波和光波能够透过石英管管壁辐照所述氧化石墨烯。石英管耐高温、热膨胀系数极低、化学稳定性极好、电绝缘性优良、微波可透过性极高的。本发明的石英管能够耐高温，可承受急冷急热；可承受正负压力大于1Mpa的冲击。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：在得到还原氧化石墨烯之后，通过抽滤的方式将还原氧化石墨烯从管状容器的另一个开口中取出。在抽滤之后，所述方法还包括步骤：并能够将还原氧化石墨烯与气体分离，分离出的气体可回收再利用。

在本实施例中，本发明可通过微波***来发射微波，微波***可包括微波源、微波谐振腔和微波防泄漏机构组成。其中，微波源是产生微波能的电子器件，可由磁控管、高压变压器、高压整流回路、散热风机、过电流保护、异常温度保护和波导等器件组成。微波谐振腔是微波能的主要储存容器，也是微波膨化反应的主要区域。防泄漏机构能够防止微波的泄露。

本发明可通过若干个光波管来发射光波。光波的作用主要起加热升温作用。所述光波可包括红外线或者远红外线。

如图2所示，微波***的微波谐振腔3可环绕石英管2，这样微波可以透过石英管的管壁以行波的方式充分、均匀地辐照氧化石墨烯；两个光波管2可分布在石英管的两侧，这样光波也可透过石英管管壁充分、均匀地辐照氧化石墨烯。在光波和微波的协同作用下，氧化石墨烯能够快速的升温。

在本实施例中，氧化石墨烯的还原可在真空环境下进行，这样能够避免空气的影响，因为空气容易把热导走。容器内的真空度可在100Pa以下。本发明还可设置一个真空表，以方便控制真空度。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：对所述得到的氧化石墨烯进行冷却、干燥。其中，冷却的步骤可包括水冷、气流冷却等。

综上所述，与现有技术相比，本发明的优点可包括：

(1)本发明能够更加有效地脱除氧化石墨烯上的杂质离子，同时分离出杂质离子在络合剂的作用下不会再和氧化石墨烯结合，从而提高了纯化的彻底性，避免了其反复结合，本发明氧化石墨烯上杂质的去除率可达到99％以上。

(2)本发明能够在干燥的过程中进一步“撑开”纯化后的氧化石墨烯片层，同时，在低温下氧化石墨烯材料保持了较低的熵值，有利于其已被“撑开”的氧化石墨烯片层微观结构保持，从而能够得到较高品质的氧化石墨烯产品。例如，本发明的方法所制得的石墨烯不仅具有完整的微观结构，而且能够使氧化石墨烯的层数降低为原先的1/3～1/6，例如，层数从20～30层可以减少到5～7层；使氧化石墨烯的比表面积增大为原先的1.5～2.5倍，例如，比表面积从100～200m²/g增大到200～400m²/g。

(3)光微波还原的加热速度快、均匀加热。若使用外部加热方式加热时，为提高加热速度，就需升高外部温度，加大温差梯度。然而随之就容易产生外焦内生现象。而微波加热时不论形状如何，微波都能均匀渗透，产生热量，因此均匀性大大改善。

(4)不同物料对微波有不同吸收率，含有水份的物质容易吸收微波能。玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属将反射电波，这些物质都不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在加热室内，加热室对电磁波来说是个封闭的腔体，电磁波不能外泄，只能被加热物体吸收，加热室内的空气与相应的容器都不会被加热，所以热效率高。同时工作场所的环境温度也不会因此而升高，生产环境明显改善，节能高效。

(5)光微波还原过程中的设备可采用耐腐蚀性的光微波管道，不与氧化石墨烯热分解出的腐蚀性气体反应，同时反应管道内受热均匀，不形成热氛围气团，无热惯性。

(6)在进行光微波还原时，不会产生大量粉尘，操作环境良好。

(7)本发明能够根据光微波功率大小、处理时间来氧化石墨烯表面官能团去除率，从而实现选择性热还原，制备含有不同含氧量的还原氧化石墨烯材料

(8)微波能是在封闭加热室、波道管内传输，能够使微波泄漏严格控制在国家安全标准指标内，大大低于国家制定的安全标准。而且微波不属于放射性射线、又无有害气体排放，是一种十分安全的加热技术。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将官能团上结合有杂质离子并具有第一层数的氧化石墨烯、络合剂与酸性溶液混合，形成混合液，其中，所述第一层数为十数层至数十层；

对所述混合液进行超声震荡，以使氧化石墨烯所结合的杂质离子脱除并与络合剂稳定结合；

过滤，得到纯化后的氧化石墨烯；

将纯化后的氧化石墨烯分散在水中，并形成氧化石墨烯水凝胶；

将氧化石墨烯水凝胶置于第一温度和第一压强下，以使氧化石墨烯水凝胶中的水分子凝结成冰分子并凝华，从而得到具有第二层数的氧化石墨烯，所述第二层数小于所述第一层数，第二层数为第一层数的1/3～1/6，所述第一温度为不高于-55℃且温度变化不超过±4℃，所述第一压强为低于1个大气压且压强变化不超过±100Pa；

将具有第二层数的氧化石墨烯置于惰性气氛中；

通过微波和光波辐照使具有第二层数的氧化石墨烯迅速升温至500℃以上，以分解其所带官能团并减少其层数，得到还原氧化石墨烯，其中，微波能够以行波的方式透过所述具有第二层数的氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述络合剂包括柠檬酸、柠檬酸钠、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、乙二胺四乙酸钠、聚丙烯酸、葡萄糖酸钠或海藻酸钠。

3.根据权利要求1所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述过滤步骤包括通过过滤膜进行过滤，并在过滤膜的下方设置抽滤机构来进行减压抽滤。

4.根据权利要求1所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述第一层数为20～30层，所述第二层数为5～7层。

5.根据权利要求1所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述第一温度在-55～-65℃范围内选择且温度变化不超过±2℃。

6.根据权利要求1所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述第一压强在10～100Pa的范围内选择且压强变化不超过±10Pa。

7.根据权利要求1所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯水凝胶的固含量为0.1～50wt％。

8.根据权利要求1所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述将具有第二层数的氧化石墨烯置于惰性气氛中的步骤包括：通过气体将具有第二层数的氧化石墨烯送入内部充满氮气或惰性气体的管状容器中，其中，所述管状容器的两端具有开口，所述气体能够从管状容器的一个开口流入，所述气体包括氮气或惰性气体。

9.根据权利要求8所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述微波和光波辐照的方向与所述气体在管状容器内流动方向相互垂直。

10.根据权利要求8所述的生产还原氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述管状容器内的真空度在100Pa以下。

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