一种稳定石墨烯胶体分散液的制备方法技术

技术编号:10250688 阅读:202 留言:0更新日期:2014-07-24 09:10
本发明专利技术公开了一种稳定的石墨烯胶体分散液的制备方法,涉及石墨烯制备技术领域。它是通过改进的Hummer’s法制备氧化石墨烯,还原后使用分散剂处理,可获得稳定的石墨烯胶体分散液,其浓度为0.21~0.25mg/mL,其中含有14~25wt%的单层石墨烯。该石墨烯胶体分散液具有丁达尔效应,其zeta电位为-41~-33mV,石墨烯的平均粒径为250~400nm。该方法简单易行,反应过程容易控制,对设备无特殊要求,成本较低,易于推广,可广泛应用于纳米电子学、传感器、纳米复合物、电池、超级电容器以及储氢材料等领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种稳定的石墨烯胶体分散液的制备方法,涉及石墨烯制备
。它是通过改进的Hummer’s法制备氧化石墨烯,还原后使用分散剂处理,可获得稳定的石墨烯胶体分散液,其浓度为0.21~0.25mg/mL,其中含有14~25wt%的单层石墨烯。该石墨烯胶体分散液具有丁达尔效应,其zeta电位为-41~-33mV,石墨烯的平均粒径为250~400nm。该方法简单易行,反应过程容易控制,对设备无特殊要求,成本较低,易于推广,可广泛应用于纳米电子学、传感器、纳米复合物、电池、超级电容器以及储氢材料等领域。【专利说明】
本专利技术涉及石墨烯的制备
,特别是氧化石墨烯的还原和稳定的石墨烯胶体分散液的制备方法。
技术介绍
石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料,近年来吸引来自于世界范围内的重点关注。石墨烯所拥有的特殊纳米结构使其在诸如纳米电子学、传感器、纳米复合物、电池、超级电容器以及储氢材料等领域具备广阔的应用前景。然而,缺乏可控的大规模制备石墨烯的途径却成为有效开发和应用其潜能的掣肘。如同碳纳米管和许多其它纳米材料,在批量生产石墨烯的过程中,最关键的挑战来自于石墨烯本身的团聚。在没有充分分散的情况下,石墨烯所拥有的高比表面积,使之倾向于形成不可逆的团聚物,甚至借由范德华力作用而重新堆叠形成石墨,而石墨烯大部分优异的性能却又仅存在于单片石墨烯中。该问题被许多以量产为目的,借由化学转换法和液相剥离法合成石墨烯的文献和专利所提及。所以,如何有效地防止团聚对于石墨烯的产业化有着至关重要的意义。美国德州大学奥斯丁分校Ruoff教授课题组(Stankovich S,Dikin D A, PinerR Djet al.Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction ofexfoliated graphite oxide.Carbon, 2007, 457:1558-1565 ;Stankovich S,Dikin DA,Piner R D,et al.Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reductionof exfoliated graphite oxide .Carbon,2007,457:1558-1565.)与美国加州大学洛杉肌分校 Kaner 教授课题组(Li Dj Miiller M B,Gilje S,et al.Processable aqueousdispersions of graphene nanosheets.Nature nanotechnology,2008,32:101-105 ;Tung V C,Allen M J,Yang Y,et al.High-throughput solution processing oflarge-scale graphene .Nature nanotechnology,2009,41:25-29.)曾先后报道过利用氧化还原法制备石墨烯。这种基于液相的途径包含将石墨通过化学氧化得到亲水的氧化石墨,再通过在水中充分地超声从而剥离得到单层氧化石墨烯,电绝缘性的氧化石墨烯可以利用肼等物质通过化学还原的方法转换成导电的石墨烯。然而,经由氧化还原法制备的石墨烯由于其本身的疏水性质仍会发生不可逆的团聚。团聚后的石墨烯在水中不具有可溶性,从而限制其进一步的处理和应用。Simmons 等(Simmons T Jj Bult J,Hashim D P,et al.NoncovalentfunctionaliZation as an alternative to oxidative acid treatment of singlewall carbon nanotubes with applications for polymer composites.ACSnano,2009,34:865-870.)曾利用1_芘甲酸使纳米管壁非共价功能化从而形成单壁碳纳米管的稳定分散液。1-花甲酸中的羧基(-C00H)能够通过一种非破坏性的J1-Ji堆叠机理芳环的相互作用,使管壁功能化从而促进单壁碳纳米管在水中的稳定性。基于此想法,本专利技术提供一种简单易行的方法用以大规模制备由单层、寡层石墨烯构成的胶体分散液并同时保持其优异性能。在本专利技术中,引入一类比1-芘甲酸更廉价但机理相似且分散性能无异的介质一含有不同亲水基团的萘的取代物,如1-萘甲酸。该介质能够作为一种“分子楔”嵌入石墨烯片层中。一方面,通过非共价堆叠机理,萘的芳环部分能够渗透到石墨烯的层间并且逐渐破坏范德华力从而获得单层和寡层的石墨烯。另一方面,通过引入取代的亲水羧基、羟基,提高石墨烯的水溶性,促进稳定的石墨烯胶体分散液的形成。通过查阅相关资料,有专利报道使用分散剂剥离石墨或者氧化石墨烯来制备分散液的方法,包括:1.中国专利201110251178.X文献介绍“一种单层氧化石墨烯溶液的制备方法”。该专利将石墨粉与氧化剂反应,经热处理初步剥离后,与分散剂醇、苯、四氢呋喃混合超声,制得单层氧化石墨烯溶液。2.中国专利201110388712.1文献介绍“石墨烯的制备方法”。该专利将石墨粉加入到溶解有并苯稠环类芳烃衍生物的非水极性溶剂中形成混合体系,通过液相剥离法制备石墨烯溶液。3.中国专利201210128930.6文献介绍“一种石墨烯分散液及其薄膜的制备方法”。该专利利用NMP、DMF、DMSO等强极性非质子溶剂在高温高压下预处理石墨,经保护气氛中热处理后,在溶剂中超声剥离,制备石墨烯分散液。4.中国专利201310273258.4文献介绍“一种石墨烯/热致液晶全芳族聚酯复合材料的制备方法”。该专利利用6-羟基-2-萘甲酸修饰的氧化石墨烯在缩聚反应中热还原生成石墨烯,并在全芳族聚酯树脂中均匀分散,形成具有良好导电性能的纤维复合材料。综上所述,未发现关于用分散剂解决氧化石墨烯在还原过程中易于团聚的问题并由此制备稳定的石墨烯胶体分散液的报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:提供一种简易的石墨烯胶体分散液的制备方法,以制备稳定的高浓度石墨烯胶体分散液。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案:本专利技术提供的稳定的石墨烯胶体分散液的制备方法,是利用氧化还原反应和胶体稳定理论,调控包括还原剂用量、还原时间和分散剂浓度、种类在内的各种因素。稳定的石墨烯胶体分散液的制备步骤,具体如下:1.将石墨与氧化剂混合,经超声离心后,生成稳定的氧化石墨烯;2.在碱性条件下,用还原剂还原2~4小时,获得石墨烯;3.将石墨烯分散于溶解有不同亲水基团的萘的取代物的有机溶剂中,经超声离心清洗,获得稳定的石墨烯胶体分散液,其浓度为0.21~0.25mg/mL、其中含有14~25wt%的单层石墨烯。所使用的石墨原料可以为lg、99.85wt%的石墨粉。所使用的氧化剂可以为23mL、98wt %的H2SO4和100mg、99.0wt %的NaNO3以及1500mg、99.5¥七%的KMnO4,氧化后用101^、3(^七%的H2O2终止反应。所述超声离心工艺可以为:以60~90kHz本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种稳定的石墨烯胶体分散液的制备方法,其特征是具有如下步骤:(1)将石墨原料与氧化剂混合,经超声离心后,生成稳定的氧化石墨烯;(2)在碱性条件下,用还原剂还原2~4小时,获得石墨烯;(3)将石墨烯分散于溶解有不同亲水基团的萘的取代物的有机溶剂中,经超声离心清洗,获得稳定的石墨烯胶体分散液,其浓度为0.21~0.25mg/mL,其中含有14~25wt%的单层石墨烯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:李宏陈希元谢君樑黄进刘子睿
申请(专利权)人:武汉理工大学
类型:发明
国别省市:湖北;42

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