利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法，先配制以乙醇为溶剂的稀土溶液；加热，pH调至5～6，得到稀土改性溶液；将氧化石墨烯浸入稀土改性溶液中，超声分散，得到改性氧化石墨烯分散液；在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，还原得到石墨烯溶液；然后无水乙醇和去离子水洗涤多次，并置于烘箱内干燥，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末。解决了现有石墨烯分散性差，湿润性差的问题，且制备工艺简单、成本低廉、绿色环保。

【技术实现步骤摘要】
利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法
本专利技术属于石墨烯表面改性
，涉及一种利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，具有一系列丰富而奇特的物理性质：超大的比表面积(2630m2/g)，是目前已知强度最高的材料，达130GPa；其载流子迁移率达15000cm2/(V·s)；热导率高达5150W/(m·K)，是室温下纯金刚石的3倍。石墨烯独特的物理、化学和力学性能为复合材料的开发奠定了重要基础，是各种复合材料的理想增强体，可望开发出具有丰富多样、优异性能的聚合物基、金属基等复合材料。但是由于石墨烯化学性质很稳定，表面呈惰性，因此石墨烯与其它基体的湿润性很差，石墨烯复合材料的界面结合是以机械结合为主的物理结合，在界面处既无化学反应，也无扩散，导致这种复合材料抗拉强度不高，其应用受到极大限制。同时，石墨烯各片层之间的范德华力极大，造成片层之间很容易堆叠团聚，分散性较差。改善石墨烯的分散性及其与各种材料之间的相容性，是解决石墨烯应用问题的关键。目前主要的方法是对石墨烯进行表面改性处理，而改性的方法主要有三种：有机物改性、无机物改性及元素掺杂改性。目前，对石墨烯进行有机功能化改性是石墨烯改性研究的主要热点。通过化学氧化法制得石墨烯氧化物具有较高的反应活性。氧化后的石墨烯表面和边缘引入了许多亲水基团，使得氧化石墨具有很强的亲水性，但其分散性没有明显的改善。为了能够拓展石墨烯的应用范围，提高其在有机溶剂和聚合物等基体中的分散性，需要对其进行适当的表面有机改性。目前已见的关于有机功能化改性石墨烯的报道，主要有使用异氰酸酯、烷基胺、硅烷偶联剂、重氮盐等对其进行功能化改性，通过改性，石墨烯的分散性有所改善，但这些方法工艺复杂繁琐，制备成本高，对环境危害较大，严重限制了石墨烯的进一步应用和发展。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法，解决了石墨烯分散性差，湿润性差的问题，且制备工艺简单、成本低廉、绿色环保。本专利技术所采用的技术方案是，一种利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法，按照以下步骤实施：步骤1，配制以乙醇为溶剂的稀土溶液；步骤2，将稀土溶液进行水浴加热，将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液；步骤3，按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃下浸入稀土改性溶液中，超声分散，得到改性氧化石墨烯分散液；步骤4，在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，还原得到石墨烯溶液；步骤5，然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤多次，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内干燥，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末。进一步的，所述步骤1中，稀土溶液各种成分的质量分数为：稀土化合物0.05～5.0％，氯化铵0.1～2.0％，尿素0.01～2.0％，乙二胺四乙酸0.05％～0.5％。进一步的，所述稀土化合物为镧、铈、镨或钕的氯化物。进一步的，所述步骤2中，将稀土溶液进行水浴加热至75～85℃，保温5～10分钟。进一步的，所述步骤2中，用硝酸将稀土溶液的pH调至5～6。进一步的，所述步骤3中，超声分散3～6小时，超声波功率为900～2000W，频率为20～75KHz。进一步的，所述步骤4中，改性氧化石墨烯分散液与水合肼按照体积比10:7～10:10配比。进一步的，所述步骤5中，烘箱温度100℃，干燥12～15h。本专利技术的有益效果：(1)利用该方法制备的石墨烯具有很好的分散性，其表面湿润性也比改性前有明显的改善。(2)利用该方法制备的石墨烯，克服了石墨烯与金属基体的润湿性差的问题，可实现石墨烯在金属基复合材料中的应用。(3)该制备方法工艺简单易行，生产成本低廉，绿色环保。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例制得的改性石墨烯(M-GN)与石墨烯(GN)的XRD图。图2是本专利技术实施例制得的改性石墨烯SEM图。图3是稀土改性氧化石墨烯的原理示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法，原理如图1所示，按照以下步骤实施：步骤1，配制以乙醇为溶剂的稀土溶液，其中，稀土溶液各种成分的质量分数为：稀土化合物0.05～5.0％，氯化铵0.1～2.0％，尿素0.01～2.0％，乙二胺四乙酸0.05％～0.5％。步骤2，将稀土溶液进行水浴加热至75～85℃，保温5～10分钟，然后用硝酸将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液。步骤3，按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃条件下浸入稀土改性溶液中，超声波分散3～6小时，超声波功率为900～2000W，频率为20～75KHz，得到改性氧化石墨烯分散液。步骤4，随后在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，改性氧化石墨烯分散液与水合肼按照体积比10:7～10:10配比，还原得到石墨烯溶液。步骤5，然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤多次，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内100℃干燥12～15h，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末。其中，稀土化合物为镧、铈、镨或钕的氯化物。稀土元素具有特殊的电子结构(-4f0-14)所决定的化学性质，在存在着氢、氧、氮、碳等典型非金属元素所组成的复杂体系中，因为电子的对换以及原子间的极化作用，原子尺寸势必发生很大的变化，稀土将被极化，成为活性元素，可作为表面活化剂和浅层渗入元素。稀土电负性低、活性大，不仅可以洁净石墨烯的表面，还可以形成Re-C键或混合杂化使其状态更稳定。作为表面活性中心的稀土元素，由于其配位数很高，可以与稀土改性剂中的有机活性基团继续发生配位化学反应，把一些有机活性基团引入到氧化石墨烯表面。此外，离子化稀土可以渗入石墨烯的缺陷部位，产生畸变区，并且在畸变区吸附C，以上这些处理既能改善石墨烯的分散性，也能促进石墨烯与活性基团发生反应，提高石墨烯与其他基底的结合强度。稀土溶液中的各种成分的选择通过多次试验分析，如何成分不在该范围里，改性后的氧化石墨烯去分散性不好。步骤2中水浴控制温度和时间的控制，一方面防止改性剂里边有机溶剂的分解，一方面使得乙二酸四乙酸和稀土离子形成稳定的水溶性络合物，螯合效率更高。步骤3中，超声波分散中参数选择在这个参数范围内分散效果最好，小于此参数，反应不彻底。大于此功率范围及时间，石墨烯的分散性并没有变化。超声波的功率达到一定程度的时候，对一些化学反应可以起催化的作用。本文选择水合肼为强还原剂，其还原性相比于其它试剂还原效果更好。步骤5改性过程中，尿素，乙二酸等属于有机溶剂，且改性后氧化石墨烯的水溶性不是很好，易溶于乙醇中，以便于除去未反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1，配制以乙醇为溶剂的稀土溶液；步骤2，将稀土溶液进行水浴加热，将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液；步骤3，按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18‑22℃下浸入稀土改性溶液中，超声分散，得到改性氧化石墨烯分散液；步骤4，在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，还原得到石墨烯溶液；步骤5，然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤多次，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内干燥，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末。

【技术特征摘要】
1.一种利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1，配制以乙醇为溶剂的稀土溶液；步骤2，将稀土溶液进行水浴加热，将稀土溶液的pH调至5～6，得到稀土改性溶液；步骤3，按照200～500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃下浸入稀土改性溶液中，超声分散，得到改性氧化石墨烯分散液；步骤4，在改性氧化石墨烯分散液中加入质量浓度80％的水合肼溶液，还原得到石墨烯溶液；步骤5，然后用40～60℃的无水乙醇和去离子水洗涤多次，直到检测不到稀土离子，并置于烘箱内干燥，得到高分散性稀土改性的石墨烯粉末。2.根据权利要求1所述的利用稀土改性制备高分散性石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤1中，稀土溶液各种成分的质量分数为：稀土化合物0.05～5.0％，氯化铵0.1～2.0％，尿素0.01～2.0％，乙二胺四乙酸0.05％～0.5％。3.根据权利要求2所述的利用稀...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，李焕，赵亚茹，朱靖，许方，胡咏梅，袁华丽，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36