專利名稱：一種碳材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳材料及其制備方法。即利用改良的漢漠斯法制備氧化石墨烯產(chǎn)生的廢料為原料而生產(chǎn)的一種碳材料。
背景技術(shù)：
自從2004年單層石墨烯被制備出以來，當今社會出現(xiàn)了研究石墨烯的熱潮，但在石墨烯表面上附載其它物質(zhì)很困難，而氧化石墨烯因為其表面含有的大量的含氧官能團，且易于分散在水及部分有機溶劑中，使 得在氧化石墨烯上面附載其它物質(zhì)更加容易。目前廣泛使用的制備用于實驗室科研的氧化石墨烯主要利用改良的漢漠斯法，該方法生產(chǎn)的單層氧化石墨烯能夠良好溶解于水及部分有機溶濟中，且表面富含含氧官能團，有利于在其表面生長各種金屬，金屬氧化物，有機物等，以改良上述物質(zhì)性能，但是由于該方法原材料利用率低，產(chǎn)率低于35%，且廢料無法有效利用，限制了氧化石墨烯的大量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是為了解決上述的單層氧化石墨烯的制備中原料利用率低，產(chǎn)率低，且廢料無法有效利用從而制約了氧化石墨烯的大量生產(chǎn)的技術(shù)問題，而提供一種與氧化石墨烯擁有類似性質(zhì)的碳材料，該碳材料具有能夠良好分散于水及部分有機溶液中，其表面富含大量富氧基團，優(yōu)于氧化石墨烯的導(dǎo)電性能。本發(fā)明的目的之二是提供一種碳材料的制備方法。其制備方法即利用改良的漢漠斯法生產(chǎn)石墨烯的廢料為原料，通過多步超聲分散與離心分離結(jié)合而制備的一種新型碳材料。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種碳材料，為層狀結(jié)構(gòu)，包括上層氧化石墨烯、下層氧化石墨烯和位于上層氧化石墨烯和下層氧化石墨烯之間的中間層石墨烯，所述的碳材料長為10 - 50μπι，寬為5 -30 μ m0上述的一種碳材料的制備方法，即利用改良的漢漠斯法生產(chǎn)石墨烯的廢料為原料，通過多步超聲分散與離心分離結(jié)合而制備的碳材料，其具體包括如下步驟:
(I)、利用改良的漢漠斯法生產(chǎn)氧化石墨烯
在容器中加入薄片狀石墨片，硝酸鈉，質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸，機械強力攪拌30min后，控制在30min內(nèi)緩慢加入高錳酸鉀，機械強力攪拌20h密閉靜置反應(yīng)7天，緩慢加入去離子水，攪拌調(diào)均，然后加入雙氧水，攪拌至無明顯氣泡，靜置6h，得到棕黃色膠狀液體；上述反應(yīng)所用的薄片狀石墨片、硝酸鈉、質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸、高錳酸鉀的量按質(zhì)量比計算，即薄片狀石墨片:硝酸鈉:質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸:高錳酸鉀為lg:0.75g:30ml Ag ；
所加入的去離子水和雙氧水的量，按其相對于薄片狀石墨片的質(zhì)量體積比進行計算，即薄片狀石墨片:去離子水:質(zhì)量分數(shù)為30%雙氧水為Ig:100ml:6ml ；
第一次離心:將上述所得棕黃色膠狀液體控制離心速率為10000r/min離心lOmin，去除上清液，所得沉淀加水稀釋，離心，重復(fù)加水稀釋，離心3次，收集最終所得沉淀A;
第二次離心:將上述最終所得沉淀A控制離心速率為7000r/min離心lOmin，收集上層清液、繼續(xù)離心，重復(fù)收集上層清液，繼續(xù)離心3次，收集最終所得沉淀B ；
第三次離心:將上述最終所得沉淀B控制離心速率為6000r/min離心lOmin，收集上層清液、繼續(xù)離心重復(fù)收集上層清液，繼續(xù)離心3次，收集最終所得沉淀C;
第四次離心:將上述最終所得沉淀C控制離心速率為5000r/min離心lOmin，收集上層清、繼續(xù)離心，重復(fù)收集上層清液，繼續(xù)離心3次，收集最終所得沉淀D即為廢料，最終所得的上清液經(jīng)透析處理除去氧化石墨烯的水溶液中的微量離子即可得氧化石墨烯的水溶液； (2)、將步驟(I)所得廢料超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，靜置IOmin去除下層不溶物即石墨；
上述所用的廢料和去離子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即廢料:去離子水或乙醇水溶液為0.1-1:100 ；
所述的乙醇水溶液為質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液；
(3)、將步驟(2)去除下層不溶物即石墨后的上層液體控制離心速率為5000r/min離心lOmin，去除上清液即去除分散于其中的氧化石墨烯，得到沉淀I ;
將所得沉淀I重復(fù)上述步驟(I)的超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，然后控制離心速率為5000r/min離心IOmin操作至所得上清液無色,收集所得沉淀2;
(4)、將步驟(3)中所得沉淀2超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，然后控制離心速率為500r/min離心lOmin，去除沉淀3，收集上層清液；
所述的沉淀2和去離子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即沉淀2:去離子水或乙醇水溶液為0.1-1:100 ； 所述的乙醇水溶液為質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液；
將所得上層清液超聲30min,然后控制離心速率為500r/min離心IOmin,去除沉淀4 ；如此重復(fù)上述的上層清液超聲、離心操作至無沉淀產(chǎn)生，收集最終上清液，即為分散于去離子水或乙醇水溶液中的碳材料；
(4)、將步驟(3)中所得分散于去離子水或乙醇水溶液中的碳材料控制離心速率為5000r/min,離心IOmin,將所得沉淀控制溫度在60_80°C烘干，即得碳材料。上述所得的碳材料與氧化石墨烯一樣能夠經(jīng)超聲分散溶解于去離子水及部分有機溶劑，如乙醇水溶液中。上述所得的一種碳材料由于具有水溶性及在部分有機溶劑中的溶解性，高導(dǎo)電性，因此可用于鋰離子電池，超級電容器及光催化方面。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種碳材料，由于是利用改良的漢漠斯法生產(chǎn)氧化石墨烯生產(chǎn)中的廢料進行生產(chǎn)的,所以本發(fā)明的一種碳材料具有生產(chǎn)成本低的特點。進一步，本發(fā)明的一種碳材料，由于是利用改良的漢漠斯法生產(chǎn)氧化石墨烯生產(chǎn)中的廢料為原料進行生產(chǎn)的，不僅解決了氧化石墨烯生產(chǎn)中廢料的排放對環(huán)境污染的問題，而且實現(xiàn)了變廢為寶。進一步，本發(fā)明的一種碳材料，由于采用了多步超聲溶解與離心分離結(jié)合的技術(shù)方案，因而在解決廢料的處理方面較現(xiàn)有的方法相比，有效分離廢料為三部分，氧化石墨烯，未被充分氧化的大片狀的石墨片和本發(fā)明的碳材料，特別是本發(fā)明的碳材料，該碳材料與氧化石墨烯一樣能夠良好分散于水及部分有機溶液中，在其表面與氧化石墨烯一樣富含大量含氧基團，利于在材料表面生長各種金屬氧化物或有機大分子，且因其特殊結(jié)構(gòu)，兩層單原子層的氧化石墨烯中間夾包的石墨烯可以用作運輸電子的快速通路，因而具有優(yōu)于氧化石墨烯的導(dǎo)電性。


圖1.本發(fā)明的一種碳材料結(jié)構(gòu)示意 圖2.實施例1所得的碳材料的SEM 圖3.實施例1所得的碳材料的XRD 圖4.實施例1所得的碳材料的Zeta電勢 圖5.實施例1所得的碳材料和氧化石墨烯的電流電壓圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的闡述，但并不限制本發(fā)明。下述的各實施例中所用的離心機，型號TG16 - 11，長沙平凡儀器有限公司生產(chǎn)； 電化學(xué)工作站，型號CHI900C，上海華辰儀器有限公司生產(chǎn)。實施例1
一種碳材料，為層狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括上層氧化石墨烯、下層氧化石墨烯和位于上層氧化石墨烯和下層氧化石墨烯之間的中間層石墨烯。所述的碳材料長為10 — 50 u m,寬為 5 — 30 μ m。上述的一種碳材料的制備方法，具體包括如下步驟:
(I)、氧化石墨烯制備:
在1000毫升燒杯中加入5.0克鱗片石墨，3.75克硝酸鈉，加入150毫升質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸，機械強力攪拌30min后，控制在30min內(nèi)緩慢加入20克高錳酸鉀，機械強力攪拌20h，然后將反就物隔水放置7天，緩慢加入500毫升去離子水，攪拌調(diào)均，攪拌中緩慢加入30毫升質(zhì)量分數(shù)為30%的雙氧水，攪拌至無氣泡產(chǎn)生，靜置6h，得到棕黃色膠狀液體；
第一次離心:將上述所得棕黃色膠狀液體控制離心速率為10000r/min離心lOmin，去除上清液，所得沉淀加水稀釋，離心，重復(fù)加水稀釋，離心3次，收集最終所得沉淀A;
第二次離心:將上述最終所得沉淀A控制離心速率為7000r/min離心lOmin，收集上層清液、繼續(xù)離心，重復(fù)收集上層清液，繼續(xù)離心3次，收集最終所得沉淀B ；
第三次離心:將上述最終所得沉淀B控制離心速率為6000r/min離心lOmin，收集上層清液、繼續(xù)離心重復(fù)收集上層清液，繼續(xù)離心3次，收集最終所得沉淀C;
第四次離心:將上述最終所得沉淀C控制離心速率為5000r/min離心lOmin，收集上層清、繼續(xù)離心，重復(fù)收集上層清液，繼續(xù)離心3次，收集最終所得沉淀D，即為廢料； 最終所得的上清液經(jīng)透析處理除去氧化石墨烯的水溶液中的微量離子即可得氧化石墨烯的水溶液，經(jīng)60-80°C烘干處理得到氧化石墨烯固體材料；
(2)、將步驟(I)中所得沉淀D即廢料35.0Og (固體含量10%)超聲分散于去離子水或質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液中，靜置lOmin，除去下層不溶物即石墨，得上層液體；
上述所用的沉淀廢料和去離子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即廢料:去離子水或乙醇水溶液為1:100 ;
(3)、將步驟(2)所得上層液體用離心機7號轉(zhuǎn)子5000r/min離心IOmin,除去上清液，即以去除分散于其中的氧化石墨烯，得到沉淀I ;
將所得沉淀I超聲分散于去離子水或質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液中，控制離心速率為5000r/min,離心IOmin,重復(fù)該操作4次,收集所得沉淀2 ；
所述沉淀I和去離子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即沉淀1:去離子水或質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液為1:100 ;
(4)、將步驟(3)中所得沉淀2超聲分散于去離子水或質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液中，控制離心速率為500r/min，離心lOmin，去除沉淀3，收集上層清液；
所述沉淀2和去離子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即沉淀2:去離子水或質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液為1:100 ;
將所得上層清液超聲30min,然后控制離心速率為500r/min離心IOmin,去除沉淀4 ；重復(fù)上述的上層清液超聲、離心操作至無沉淀產(chǎn)生，收集最終上清液，即為分散于去離子水或質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液中的碳材料；
(5)、將步驟(4)中所得 上清液控制離心速率為5000r/min，離心lOmin，將所得沉淀控制溫度在60-80°C烘干，即可得0.7352g碳材料。上述方法所得碳材料的質(zhì)量為所用廢料質(zhì)量的21.0%。上述所得碳材料經(jīng)美國FEI公司的FEI SIRION 200場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行掃描，所得掃描電鏡的SEM圖如圖2所示，從圖2中可以看出本發(fā)明所得的碳材料為層狀結(jié)構(gòu)，長為 10 — 50 μ m,寬為 5 — 30 μ m。上述所得的碳材料經(jīng)日本島津公司生產(chǎn)的DIFFRACT0METER-6000型XRD分析儀器在靶材料CuCl.54060A),電壓40.0kV，電流30.0mA，測量所得XRD圖如圖3所示，從圖3中可以看出上述所得的碳材料的兩個峰區(qū)別于純凈石墨的峰和純凈氧化石墨烯的峰，且沒有其它雜峰，由此表明，本發(fā)明的碳材料是區(qū)別于氧化石墨烯和石墨的一種純凈的新型碳材料。所得的碳材料與氧化石墨烯類似，可溶解于去離子水中形成膠體，說明所得的碳材料上層、下層均為氧化石墨烯。根據(jù)上述的所得的碳材料的XRD圖譜，表明本發(fā)明的碳材料區(qū)別于氧化石墨烯，但又因XRD圖譜中24度處的峰為氧化石墨烯層與石墨烯層之間的間距所產(chǎn)生，由此表明了位于上層氧化石墨烯和下層氧化石墨烯中間的中間層為石墨烯。上述所得的碳材料經(jīng)英國Malvern Instruments公司ZS90儀器分析所得Zeta電勢圖如圖4所示，從圖4中可以看出上述所得的碳材料在水溶液中十分穩(wěn)定，且所得的碳材料在水溶液中顯電負性。將實施例1所得碳材料溶解于乙醇，制備碳材料質(zhì)量分數(shù)為10%的膠體，將制得膠體在100 μ m潔凈銅箔上涂膜，膜厚為100 μ m，即得帶有碳材料薄膜的潔凈銅箔；
將所得帶有碳材料的潔凈銅箔切割成為直徑為20mm的圓片10片。采用上述相同的方法制備10片直徑及厚度相同的帶有氧化石墨烯(所述的氧化石墨烯為實施例1步驟(I)所得的氧化石墨烯)薄膜的潔凈銅箔。將上述所得的帶有碳材料的潔凈銅箔圓片和帶有氧化石墨烯的潔凈銅箔圓片分別置于兩片邊長10_平整潔凈鉬金片之間，用一個不導(dǎo)電的夾子固定，兩片鉬金片外側(cè)各連出一根同樣粗細，同樣長度的鎳鉻絲導(dǎo)線，用上海華辰儀器有限公司的CHI900C電化學(xué)工作站測量電化學(xué)工作站測量不同電壓下通過材料的電流值，將所得相同電壓下的10組電流數(shù)據(jù)取平均值，將所得結(jié)果作圖，如圖5所示。從圖5中可以看出本發(fā)明的碳材料的導(dǎo)電性明顯優(yōu)于氧化石墨烯，由此表明了本發(fā)明的碳材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。實施例2
按實施例1的制備方法，只是步驟(2)中所用的沉淀廢料和去離子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即廢料:去離子水或乙醇水溶液為0.3:100 ;其它同實施例1，最終所得的碳材料的質(zhì)量為所用廢料質(zhì)量的32%。實施例3
按實施例1的制備方法，只是步驟(2)中所用的沉淀廢料和去離子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即廢 料:去離子水或乙醇水溶液為0.1:100 ;其它同實施例1，最終所得的碳材料的質(zhì)量為所用廢料質(zhì)量的23%。綜上所述，本發(fā)明的一種碳材料，由于其具有表層的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)，因此具有可溶解于水及部分有機溶劑中的特點，進一步，因其結(jié)構(gòu)中中間層的石墨烯的導(dǎo)電性優(yōu)于氧化石墨烯，因此本發(fā)明的碳材料的導(dǎo)電性優(yōu)于氧化石墨烯。上述內(nèi)容公為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種碳材料，其特征在于所述的碳材料為層狀結(jié)構(gòu)，包括上層氧化石墨烯、下層氧化石墨烯和位于上層氧化石墨烯和下層氧化石墨烯之間的中間層石墨烯，所述的碳材料長為10 — 50 u m,寬為 5 — 30 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述的碳材料的制備方法，其特征在于具體包括如下步驟: (1)、取改良的漢漠斯法制備氧化石墨烯后產(chǎn)生的廢料按質(zhì)量比計算即廢料:去離子水或乙醇水溶液為0.1-1:100的比例，將廢料超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，靜置，除去下層不溶物即石墨，得到懸浮液； (2)、將步驟(I)所得懸浮液控制轉(zhuǎn)速為5000r/min，離心lOmin，去除上清液得到沉淀I ; 將所得沉淀I重復(fù)步驟(I)的超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，然后控制轉(zhuǎn)速為5000r/min,離心IOmin的操作至所得上清液無色,收集所得沉淀2 ； (3)、將步驟(2)中所得沉淀2超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，控制轉(zhuǎn)速為500r/min,離心IOmin,收集上層清液； 所述的沉淀2和去離 子水或乙醇水溶液的量按質(zhì)量比計算，即沉淀2:去離子水或乙醇水溶液為0.1-1:100 ； 將所得上層清液超聲30min,然后控制離心速率為500r/min離心IOmin,去除沉淀； 如此重復(fù)上述的上層清液超聲、離心操作至無沉淀產(chǎn)生，收集最終上清液，即為分散于去離子水或乙醇水溶液中的碳材料； (4)、將步驟(3)中所得分散于去離子水或乙醇水溶液中的碳材料控制離心速率為5000r/min,離心IOmin,將所得沉淀控制溫度在60_80°C烘干，即得碳材料。
3.如權(quán)利要求2所述的碳材料的制備方法，其特征在于步驟(I)和步驟(3)所述的乙醇水溶液為質(zhì)量百分比濃度為90-100%的乙醇水溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開一種碳材料及制備方法，所述碳材料為層狀結(jié)構(gòu)，包括上、下層氧化石墨烯和位于上、下層氧化石墨烯之間的中間層石墨烯。其制備方法即取改良的漢漠斯法制備氧化石墨烯后的廢料超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，靜置，除去下層不溶物得到懸浮液以5000r/min離心10min，所得沉淀重復(fù)超聲分散、離心操作至所得上清液無色，將所得沉淀再次超聲分散于去離子水或乙醇水溶液中，以500r/min離心10min收集上層清液，重復(fù)離心操作至無沉淀產(chǎn)生，再以5000r/min離心10min，所得沉淀于60-80℃烘干即得碳材料。該碳材料表面富含含氧官能團，溶解于水及部分有機溶劑中，其導(dǎo)電性能優(yōu)于氧化石墨烯。
文檔編號C01B31/04GK103224233SQ20131015381
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者韓生, 陳言偉, ?？? 畢東蘇, 王宇紅, 郁平, 孫揭陽, 高峰, 朱賢, 王愛民 申請人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院