一種氧化石墨烯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了化工領(lǐng)域的一種氧化石墨烯的制備方法，包括石墨預(yù)氧化和氧化石墨的制備和氧化石墨烯溶液的制備三大步。通過(guò)本方法制得的氧化石墨烯具有以下有益效果：制備的氧化石墨烯在尺度上能夠達(dá)到納米級(jí)，為后續(xù)納米復(fù)合物的制備提供了良好的基礎(chǔ)；本發(fā)明制得的氧化石墨烯能夠形成穩(wěn)定的水溶液。
【專利說(shuō)明】一種氧化石墨烯的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在電子、材料等領(lǐng)域表現(xiàn)出許多令人振奮的性能和潛在的應(yīng)用前景。氧化石墨烯又稱為功能化的石墨烯，是石墨烯的含氧化合物，作為制備石墨烯的原料之一，氧化石墨烯也表現(xiàn)出很多優(yōu)良的物化性能，近年來(lái)一直受到科學(xué)界的關(guān)注和研究興趣。與價(jià)格昂貴的碳納米管相比，氧化石墨烯的價(jià)格低廉，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，在制備過(guò)程中引入了大量含氧極性基團(tuán)，如羥基、羧基，這些功能基團(tuán)?方面擴(kuò)大了氧化石墨的層間距，使其在“插層化學(xué)”方面展示了很好的應(yīng)用性，同時(shí)賦予了氧化石墨烯優(yōu)異的化學(xué)性能，能夠與許多高分子化合物進(jìn)行復(fù)合，得到性能更加優(yōu)良的復(fù)合物。
[0003]氧化石墨烯的制備可以分為兩個(gè)步驟:首先利用化學(xué)法將石墨氧化成氧化石墨，然后通過(guò)外力(如熱膨脹、超聲)剝離氧化石墨得到氧化石墨烯片。氧化石墨的化學(xué)制備主要有三種方法:Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。這三種方法的基本原理都是在強(qiáng)氧化劑作用下破壞碳層結(jié)構(gòu)，將氧原子引入到碳原子上，含氧基團(tuán)的介入會(huì)造成石墨層問(wèn)距的擴(kuò)大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種氧化石墨烯的制備方法。
[0005]一種氧化石墨烯的制備方法，所述方法包括以下步驟:
(1)在三口燒瓶中加入濃硫酸、過(guò)二硫酸鉀、五氧化二磷，加熱至90-100°C；
(2)攪拌15-30min后，冷卻至80°C ；
(3)緩慢加入2-5份石墨粉，保持溫度在80°C，攪拌5h ；
(4)反應(yīng)結(jié)束后將混合物冷卻至室溫，用去離子水稀釋，靜置一夜；
(5)用蒸餾水將處理后的石墨洗至中性，在室溫下干燥24h，即得預(yù)氧化處理的石墨；
(6)把20-25份濃硫酸加入到三口燒瓶中，用冰浴冷卻至0°C；
(7)攪拌下加入已經(jīng)預(yù)氧化處理的石墨，快速攪拌至石墨粉全溶；
(8)緩慢加入10-20份高錳酸鉀，控制溫度不超過(guò)10°C，加畢后繼續(xù)攪拌2h，此階段為低溫反應(yīng)階段；
(9)將混合物升溫至40-50°C反應(yīng)2h，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，混合物會(huì)變得粘稠，呈現(xiàn)出褐色，此階段為中溫反應(yīng)階段；
(10)中溫反應(yīng)結(jié)束后，在三口燒瓶中緩慢加入100-150份去離子水，此時(shí)會(huì)有較大溫升，因此需要控制溫度不超過(guò)60°C，去離子水加畢后，將溫度升至100-105°C，保持30min，此階段為高溫脫水反應(yīng)階段；
(11)向反應(yīng)體系加入去離子水和雙氧水，將反應(yīng)后的混合物靜置一夜；
(12)用預(yù)先配制好的3%的HCl溶液洗滌直至無(wú)S042—，再用蒸餾水洗滌至中性，將洗好的膠體倒入潔凈的表面皿中，55-65°C干燥48h，研磨，密封保存，即得氧化石墨；
(13)將氧化石墨和去離子水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的懸浮液，用10W超聲波超聲分散至沒有沉淀物為止，得到氧化石墨烯溶液。
[0006]進(jìn)一步地，步驟(I)中加入各反應(yīng)物的重量份數(shù)為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸5-10份、過(guò)二硫酸鉀2-5份、五氧化二磷1-5份。
[0007]本發(fā)明達(dá)到的有益效果為:制備的氧化石墨烯在尺度上能夠達(dá)到納米級(jí)，為后續(xù)納米復(fù)合物的制備提供了良好的基礎(chǔ)；本發(fā)明制得的氧化石墨烯能夠形成穩(wěn)定的水溶液，一方面歸因于其固有的親水性，另一方面是由于氧化石墨烯結(jié)構(gòu)邊緣的羧酸基團(tuán)和表面的羥基基團(tuán)的質(zhì)子化，使氧化石墨烯片層帶有很強(qiáng)的負(fù)電性而產(chǎn)生靜電斥力作用使溶液相穩(wěn)定；氧化石墨烯在極性溶劑中的溶解性相對(duì)較好，這與有機(jī)溶液的極性大小有關(guān)，因?yàn)樵谘趸┙Y(jié)構(gòu)中含有羥基、羧基等極性基團(tuán)，因此對(duì)極性溶液有較好的親和力。

【具體實(shí)施方式】
[0008]實(shí)施例1
一種氧化石墨烯的制備方法，所述方法包括以下步驟:
(1)在三口燒瓶中加入濃硫酸、過(guò)二硫酸鉀、五氧化二磷，加熱至90-100°C，其中加入各反應(yīng)物的重量份數(shù)為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸5份、過(guò)二硫酸鉀2份、五氧化二磷I份；
(2)攪拌15min后，冷卻至80°C ；
(3)緩慢加入2份石墨粉，保持溫度在80°C，攪拌5h ；
(4)反應(yīng)結(jié)束后將混合物冷卻至室溫，用去離子水稀釋，靜置12h；
(5)用蒸餾水將處理后的石墨洗至中性，在室溫下干燥24h，即得預(yù)氧化處理的石墨；
(6)把20份濃硫酸加入到三口燒瓶中，用冰浴冷卻至0°C；
(7)攪拌下加入已經(jīng)預(yù)氧化處理的石墨，快速攪拌至石墨粉全溶；
(8)低溫反應(yīng)階段，緩慢加入10份高錳酸鉀，控制溫度不超過(guò)10°C，加畢后繼續(xù)攪拌
2h ；
(9)中溫反應(yīng)階段，將混合物升溫至40°C反應(yīng)2h；
(10)高溫脫水反應(yīng)階段，在三口燒瓶中緩慢加入100份去離子水，控制溫度不超過(guò)60°C，去離子水加畢后，將溫度升至100-105°C，保持30min ；
(11)向反應(yīng)體系加入去離子水和雙氧水，將反應(yīng)后的混合物靜置12h；
(12)用預(yù)先配制好的3%的HCl溶液洗滌直至無(wú)S042—，再用蒸餾水洗滌至中性，將洗好的膠體倒入潔凈的表面皿中，55-65°C干燥48h，研磨，密封保存，即得氧化石墨；
(13)將氧化石墨和去離子水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的懸浮液，用100W超聲波超聲分散至沒有沉淀物為止，得到氧化石墨烯溶液。
[0009]實(shí)施例2
一種氧化石墨烯的制備方法，所述方法包括以下步驟:
(1)在三口燒瓶中加入濃硫酸、過(guò)二硫酸鉀、五氧化二磷，加熱至90-100°C，其中加入各反應(yīng)物的重量份數(shù)為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸10份、過(guò)二硫酸鉀5份、五氧化二磷5份；
(2)攪拌15-30min后，冷卻至80°C ； (3)緩慢加入5份石墨粉，保持溫度在80°C，攪拌5h ；
(4)反應(yīng)結(jié)束后將混合物冷卻至室溫，用去離子水稀釋，靜置12h；
(5)用蒸餾水將處理后的石墨洗至中性，在室溫下干燥24h，即得預(yù)氧化處理的石墨；
(6)把25份濃硫酸加入到三口燒瓶中，用冰浴冷卻至0°C；
(7)攪拌下加入已經(jīng)預(yù)氧化處理的石墨，快速攪拌至石墨粉全溶；
(8)低溫反應(yīng)階段，緩慢加入20份高錳酸鉀，控制溫度不超過(guò)10°C，加畢后繼續(xù)攪拌
2h ；
(9)中溫反應(yīng)階段，將混合物升溫至40-50°C反應(yīng)2h；
(10)高溫脫水反應(yīng)階段，在三口燒瓶中緩慢加入150份去離子水，控制溫度不超過(guò)60°C，去離子水加畢后，將溫度升至100-105°C，保持30min ；
(11)向反應(yīng)體系加入去離子水和雙氧水，將反應(yīng)后的混合物靜置24h；
(12)用預(yù)先配制好的3%的HCl溶液洗滌直至無(wú)S042—，再用蒸餾水洗滌至中性，將洗好的膠體倒入潔凈的表面皿中，55-65°C干燥48h，研磨，密封保存，即得氧化石墨；
(13)將氧化石墨和去離子水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的懸浮液，用100W超聲波超聲分散至沒有沉淀物為止，得到氧化石墨烯溶液。
[0010] 實(shí)施例3
一種氧化石墨烯的制備方法，所述方法包括以下步驟:
(1)在三口燒瓶中加入濃硫酸、過(guò)二硫酸鉀、五氧化二磷，加熱至90-100°C，其中加入各反應(yīng)物的重量份數(shù)為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸8份、過(guò)二硫酸鉀4份、五氧化二磷4份；
(2)攪拌30min后，冷卻至80°C ；
(3)緩慢加入4份石墨粉，保持溫度在80°C，攪拌5h ;
(4)反應(yīng)結(jié)束后將混合物冷卻至室溫，用去離子水稀釋，靜置24h；
(5)用蒸餾水將處理后的石墨洗至中性，在室溫下干燥24h，即得預(yù)氧化處理的石墨；
(6)把22份濃硫酸加入到三口燒瓶中，用冰浴冷卻至0°C；
(7)攪拌下加入已經(jīng)預(yù)氧化處理的石墨，快速攪拌至石墨粉全溶；
(8)低溫反應(yīng)階段，緩慢加入15份高錳酸鉀，控制溫度不超過(guò)10°C，加畢后繼續(xù)攪拌
2h ；
(9)中溫反應(yīng)階段，將混合物升溫至40-50°C反應(yīng)2h；
(10)高溫脫水反應(yīng)階段，在三口燒瓶中緩慢加入120份去離子水，控制溫度不超過(guò)60°C，去離子水加畢后，將溫度升至100-105°C，保持30min ；
(11)向反應(yīng)體系加入去離子水和雙氧水，將反應(yīng)后的混合物靜置24h；
(12)用預(yù)先配制好的3%的HCl溶液洗滌直至無(wú)S042—，再用蒸餾水洗滌至中性，將洗好的膠體倒入潔凈的表面皿中，55-65°C干燥48h，研磨，密封保存，即得氧化石墨；
(13)將氧化石墨和去離子水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的懸浮液，用100W超聲波超聲分散至沒有沉淀物為止，得到氧化石墨烯溶液。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)在三口燒瓶中加入濃硫酸、過(guò)二硫酸鉀、五氧化二磷，加熱至90-100°C； (2)攪拌15-30min后，冷卻至80。。； (3)緩慢加入2-5份石墨粉，保持溫度在80°C，攪拌5h ； (4)反應(yīng)結(jié)束后將混合物冷卻至室溫，用去離子水稀釋，靜置12-24h； (5)用蒸餾水將處理后的石墨洗至中性，在室溫下干燥24h，即得預(yù)氧化處理的石墨； (6)把20-25份濃硫酸加入到三口燒瓶中，用冰浴冷卻至0°C； (7)攪拌下加入已經(jīng)預(yù)氧化處理的石墨，快速攪拌至石墨粉全溶； (8)低溫反應(yīng)階段，緩慢加入10-20份高錳酸鉀，控制溫度不超過(guò)10°C，加畢后繼續(xù)攪拌2h ； (9)中溫反應(yīng)階段，將混合物升溫至40-50°C反應(yīng)2h； (10)高溫脫水反應(yīng)階段，在三口燒瓶中緩慢加入100-150份去離子水，控制溫度不超過(guò)60°C，去離子水加畢后，將溫度升至100-105°C，保持30min ； (11)向反應(yīng)體系加入去離子水和雙氧水，將反應(yīng)后的混合物靜置12-24h； (12)用預(yù)先配制好的3%的HC1溶液洗滌直至無(wú)S042—，再用蒸餾水洗滌至中性，將洗好的膠體倒入潔凈的表面皿中，55-65°C干燥48h，研磨，密封保存，即得氧化石墨； (13)將氧化石墨和去離子水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的懸浮液，用100W超聲波超聲分散至沒有沉淀物為止，得到氧化石墨烯溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟(1)中加入各反應(yīng)物的重量份數(shù)為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸5-10份、過(guò)二硫酸鉀2-5份、五氧化二磷1-5 份。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK104445168SQ201410697232
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】張明 申請(qǐng)人:張明