一种氧化石墨烯和高导电性石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤，首先在保护性气体加压的条件下，将石墨、插层剂和氧化剂混合后进行低温反应，得到反应混合物；然后将上述步骤得到的反应混合物分离后，得到反应产物；最后将上述步骤得到的反应产物在分散剂中进行剥离后，得到氧化石墨烯分散液。本发明专利技术通过采用低温的条件，明显的降低了缺陷率，在压力的作用下，插层剂插入石墨片层之间，使得层间作用力减小和层间距离增大；随后氧化剂进入石墨片层之间，发生氧化反应，从而形成氧化石墨烯；压力的作用使得插层剂和氧化剂更快的进入石墨层间，且促使反应在短时间内更加完全，实现对石墨的一阶插层，进而制备得到了低缺陷率高品质石墨烯粉体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯
，涉及一种氧化石墨烯和石墨烯的制备方法，尤其涉及一种氧化石墨烯和高导电性石墨烯的制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。作为一种由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，它是目前进入应用领域中最薄的材料和最强韧的材料，断裂强度比钢材还要高200倍，还有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％；同时石墨烯具有巨大的理论比表面积，物理化学性质稳定，可在高工作电压和大电流快速充放电下保持很好的结构稳定性。同时，石墨烯还具有优异的导电性，可以降低内阻，提高超级电容器的循环稳定性；用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍；另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光。并且非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。上述这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。正是由于石墨烯具有上述诸多的优异物理化学性质，其在储能材料，环境工程，灵敏传感方面被广泛应用，被称为“黑金”或是“新材料之王”，自2004年发现以来得到研究者的广泛关注，其在复合材料、储能材料、太阳能电池以及传感器等领域具有广泛的应用前景，且有望在半导体领域代替硅材料，而且潜在的应用前景广大，目前已成为全世界各领域的关注焦点与研究热点。氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生物，是石墨烯的氧化物，因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质，虽然导电率远低于石墨烯，但其表面活性更容易和其他物质发生复合反应。现有的制备石墨烯或氧化石墨烯的主要方法可以分为固相法，液相法和气相法三种方式。其中，液相法主要包括超声剥离法及氧化还原法，目前主要使用的氧化还原法为Hummers法，就是在强酸和强氧化剂的作用下，对石墨粉进行氧化插层生成氧化石墨，再经过超声剥离分散为氧化石墨烯水分散液，然后通过化学还原或者热还原修复碳骨架得到石墨烯，这种方法可以得到氧化石墨烯分散液和石墨烯。然而Hummers法制备氧化石墨烯过程中，氧化剂会在石墨片层表面形成大量缺陷和孔洞。通常用Hummers法制备的石墨烯其缺陷率在3％以上，即意味着制备的石墨烯片层上每35个碳原子就有1个缺失。这些缺陷会极大地影响产品的完整性，进而影响石墨烯的电导率等特性。因此，如何得到一种更优异的氧化石墨烯和石墨烯的制备技术，保证石墨烯晶格的完整性，进而提高石墨烯的电导率，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种氧化石墨烯和高导电性石墨烯的制备方法，本专利技术提供的单层氧化石墨烯和石墨烯的制备方法，制备的石墨烯材料晶格的完整性更好，因而具有较高的电导率；而且制备方法工艺简单，条件温和，更加适于工业化大生产。本专利技术提供了一种氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：A)在保护性气体加压的条件下，将石墨、插层剂和氧化剂混合后进行低温反应，得到反应混合物；B)将上述步骤得到的反应混合物分离后，得到反应产物；C)将上述步骤得到的反应产物在分散剂中进行剥离后，得到氧化石墨烯分散液。优选的，所述加压的压力为10～100个大气压；所述低温反应的温度为-20～5℃；所述低温反应的时间为12～72h；所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体。优选的，所述步骤B)具体为：B1)将上述步骤得到的反应混合物分离后，得到回收插层剂和产物；B2)将产物、还原剂和水低温混合反应后，分离，洗涤沉淀，得到反应产物。优选的，所述分离为离心分离；所述还原剂包括双氧水、硫代硫酸钠、亚硫酸钠和亚硫酸氢钠中的一种或多种；所述低温的温度为0～5℃。优选的，所述插层剂包括浓硫酸、浓磷酸、浓硝酸、浓盐酸、高氯酸、高碘酸、冰醋酸和三氟甲磺酸中的一种或多种；所述氧化剂包括高锰酸钾、高锰酸钠、高锰酸锂、锰酸钾、高铁酸钾、高铁酸钠、双氧水、高碘酸钠、重铬酸钠、高氯酸钾、氯酸钾、次氯酸钠、过硼酸钾、三氧化铬和过硫酸铵中的一种或多种；所述分散剂包括水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、丙酮、二甲亚砜和甲苯中的一种或多种。优选的，所述步骤A)中还包括改性剂；所述改性剂包括硼酸、硼砂、五硫化二磷、五氧化二磷、三氯化硼、三氟化硼、氟化钠、硫、碘、溴、磷酸铵、氯化铵、尿素、过氧化尿素、脲、十二烷基磺酸钠和硫氰酸钾中的一种或多种。优选的，所述氧化石墨烯为单层氧化石墨烯；所述插层剂的浓度为10～20mol/L；所述插层剂与所述石墨的质量比为(3～30)：1；所述氧化剂与所述石墨的摩尔比为(0.1～1)：1；所述改性剂与所述石墨的摩尔比为(1～10)：1。优选的，所述剥离的方式包括超声、剪切和球磨中的一种或多种；所述超声的功率为20～40000W，所述超声的频率为20～40kHz；所述超声的时间为10～120分钟；所述剪切的转速为2000～28000rpm；所述剪切的时间为10～600分钟；所述球磨的转速为200～1600rpm；所述球磨的时间为1～6h。本专利技术还提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：1)将上述技术方案任意一项所制备的氧化石墨烯分散液经过还原和纯化后，得到石墨烯分散液；2)将上述步骤得到的石墨烯分散液经过热处理后，得到石墨烯。优选的，所述还原的还原剂包括水合肼、氢碘酸、亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、抗坏血酸、抗坏血酸钠、碘化铝、葡萄糖和苯甲醛中的一种或多种；所述纯化的方式包括离心、过滤、洗涤和透析中的一种或多种；所述纯化的处理温度为0～5℃；所述热处理包括煅烧，或先干燥后煅烧；所述煅烧的温度为1200～1800℃；所述干燥的方式包括喷雾干燥、真空干燥和冷冻干燥中的一种或多种。本专利技术提供了一种氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤，首先在保护性气体加压的条件下，将石墨、插层剂和氧化剂混合后进行低温反应，得到反应混合物；然后将上述步骤得到的反应混合物分离后，得到反应产物；最后将上述步骤得到的反应产物在分散剂中进行剥离后，得到氧化石墨烯分散液。与现有技术相比，本专利技术针对现有的Hummers法制备氧化石墨烯过程中，氧化剂会在石墨片层表面形成大量缺陷和孔洞，其制备的石墨烯其缺陷率高，极大地影响了产品的完整性，进而影响石墨烯的电导率等特性的问题。本专利技术发现随着温度的降低和氧化程度的降低，制备的石墨烯缺陷有所下降，在低温的情况下，制备的石墨烯的缺陷率比传统方式制备的石墨烯低1～2个数量级，再通过采用密闭的条件，加压后再利用反应过程中自身产生的压力，实现自升压反应。本专利技术这种自身带压反应，在压力的作用下，插层剂插入石墨片层之间，使得层间作用力减小和层间距离增大。随后氧化剂进入石墨片层之间，发生氧化反应，从而形成氧化石墨烯；压力的作用使得插层剂和氧化剂更快的进入石墨层间，且促使反应在短时间内更加完全，能够在较短的时间内实现对石墨的一阶插层，工艺流程短，有效的克服了低温所带来的反应时间长、反应不完全等问题，而且反应过程中避免了频繁的升温和降温操作，加料无须使用滴加或少量多次加料，减少了人工操作，因而耗能少，绿色环保，操作便捷，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)在保护性气体加压的条件下，将石墨、插层剂和氧化剂混合后进行低温反应，得到反应混合物；B)将上述步骤得到的反应混合物分离后，得到反应产物；C)将上述步骤得到的反应产物在分散剂中进行剥离后，得到氧化石墨烯分散液。

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)在保护性气体加压的条件下，将石墨、插层剂和氧化剂混合后进行低温反应，得到反应混合物；B)将上述步骤得到的反应混合物分离后，得到反应产物；C)将上述步骤得到的反应产物在分散剂中进行剥离后，得到氧化石墨烯分散液。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加压的压力为10～100个大气压；所述低温反应的温度为-20～5℃；所述低温反应的时间为12～72h；所述保护性气体包括氮气和/或惰性气体。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)具体为：B1)将上述步骤得到的反应混合物分离后，得到回收插层剂和产物；B2)将产物、还原剂和水低温混合反应后，分离，洗涤沉淀，得到反应产物。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述分离为离心分离；所述还原剂包括双氧水、硫代硫酸钠、亚硫酸钠和亚硫酸氢钠中的一种或多种；所述低温的温度为0～5℃。5.根据权利要求1～4任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述插层剂包括浓硫酸、浓磷酸、浓硝酸、浓盐酸、高氯酸、高碘酸、冰醋酸和三氟甲磺酸中的一种或多种；所述氧化剂包括高锰酸钾、高锰酸钠、高锰酸锂、锰酸钾、高铁酸钾、高铁酸钠、双氧水、高碘酸钠、重铬酸钠、高氯酸钾、氯酸钾、次氯酸钠、过硼酸钾、三氧化铬和过硫酸铵中的一种或多种；所述分散剂包括水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、丙酮、二甲亚砜和甲苯中的一种或多种。6.根据权利要求1～4任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A)中还包括改性剂；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海波，张在忠，张聪，胡兴华，
申请(专利权)人：山东欧铂新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37