本发明专利技术的各种实施方式描述了高度氧化形式的氧化石墨烯及其制备方法。一般地，所述方法包括将石墨源与包含至少一种氧化剂和至少一种保护剂的溶液混合，然后在所述至少一种保护剂的存在下用所述至少一种氧化剂氧化石墨源，形成氧化石墨烯。用本发明专利技术所述方法合成的氧化石墨烯具有高结构质量，与在没有至少一种保护剂的情况下制备的氧化石墨烯相比，其氧化程度更高，保持更高比例的芳环和芳香区。本发明专利技术还揭示了将氧化石墨烯还原为化学转化石墨烯的方法。本发明专利技术的化学转化石墨烯比从其它氧化石墨烯来源制备的化学转化石墨烯具有明显高得多的导电性。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请交叉参考本申请要求2009年5月22日提交的美国临时专利申请61/180505和2009年6月10曰提交的美国临时专利申请61/185640的优先权,其完整内容均通过参考结合于本文。关于联邦政府资助研究的声明本专利技术在政府经费支持下完成，资助号如下09-S568-064-01-Cl和07-S568-0042-01-C1,由环球技术公司(Universal Technology Corporation)通过来自空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)的资金(资助号 FA8650-05-D-5807)间接提供；DE-FC-36-05G015073,美国能源部提供；N000014-09-1-1066,国防部海军研究局通过加利福尼亚大学伯克利分校MURI计划提供；FA9550-09-1-0581，国防部空军科学研究局提供；2007-G-010,联邦航空管理局提供。政府拥有本专利技术的部分权利。
技术介绍
石墨烯是Sp2杂化碳原子片层组成的单层或数层结构。该材料由于具有有用的机械和电学性质，近年来已成为重要的研究对象。石墨烯的现成来源是块体石墨，它由大量通过范德华力结合在一起的石墨烯片层组成。通过块体石墨的机械剥离和外延化学气相沉积，人们已经在微量规模上制备出了单层和数层石墨烯片层。然而，这些技术路线不适合大规模制造石墨烯。迄今为止,制备大量石墨烯的方法集中于石墨的化学剥离。剥离石墨最常见的方法必须使用强氧化剂产生氧化石墨烯，这是一种非导电亲水性碳材料。虽然氧化石墨烯的确切化学结构很难最后确定，但至少从定性上知道,在氧化石墨烯中，环氧化物、醇、羰基和羧酸基团破坏了规则的Sp2结构。块体石墨晶格的破坏反映在层间距的增大上，即从块体石墨中的0. 335纳米增大到氧化石墨烯中的0. 625纳米以上。1859年,有人通过将氯酸钾加入石墨在发烟硝酸中形成的浆料里，首次制得氧化石墨烯。该合成方法在1898年得到改进,具体做法是在反应混合物中加入硫酸，并在反应过程中分批加入氯酸钾。如今最常用的方法是哈默斯(Hummers)报道的方法，即用浓H2SO4中的KMnO4和NaNO3处理，使块体石墨氧化(哈默斯法)。应当指出，所有这三种方法都会产生毒性和/或爆炸性气体N02、N2O4和/ 或 C102。通过化学还原成化学转化石墨烯，非导电性氧化石墨烯可以再变回到薄膜或块体形式的导电性石墨烯材料。然而，化学还原并未完全使块体石墨的原始SP2结构复原,在化学转化石墨烯结构中存在明显的孔洞形式的缺陷。这些缺陷在化学剥离块体石墨的过程中产生，在将氧化石墨烯还原为化学转化石墨烯的过程中未得到修复。与原始石墨烯相比，氧化石墨烯和化学转化石墨烯中的缺陷削弱了这些材料所需的机械和电学性质。基于上文所述，如果能专利技术一种化学方法,将块体石墨剥离成具有更规则的SP2结构的高度氧化的氧化石墨烯,那在本领域将是非常有益的。具有更规则的SP2结构的氧化石墨烯将能被还原成性质更接近原始石墨烯片层的化学转化石墨烯。此外，能够避免产生毒性副产物的氧化石墨烯制备方法也使这样的方法具有明显的优点。
技术实现思路
在多个实施方式中，本文描述了形成氧化石墨烯、化学转化石墨烯和官能化化学转化石墨烯的方法。本文还描述了氧化石墨烯、化学转化石墨烯和官能化化学转化石墨烯组合物。在一些实施方式中，形成氧化石墨烯的方法包括提供石墨源,提供包含至少一种氧化剂和至少一种保护剂的溶液,将石墨源与所述溶液混合，以及在所述至少一种保护剂存在下用所述至少一种氧化剂氧化石墨源,形成氧化石墨烯。 在其它多个实施方式中，形成氧化石墨烯的方法包括提供石墨源,提供包含至少一种酸溶剂、至少一种氧化剂和至少一种保护剂的溶液，将石墨源与所述溶液混合，以及在所述至少一种保护剂存在下用所述至少一种氧化剂氧化石墨源，形成氧化石墨烯。所述至少一种保护剂可用于保护邻位二醇。在其它多个实施方式中，形成氧化石墨烯的方法包括提供石墨源,提供包含至少一种酸溶剂、高锰酸钾和至少一种保护剂的溶液，将石墨源与所述溶液混合，以及在所述至少一种保护剂存在下用所述高锰酸钾氧化石墨源,形成氧化石墨烯。所述至少一种酸溶剂可以是例如发烟硫酸、硫酸、氟磺酸、三氟甲磺酸及其组合。所述至少一种保护剂可以是例如三氟乙酸；磷酸；正磷酸；偏磷酸；多磷酸；硼酸；三氟乙酸酐；磷酸酐；正磷酸酐；偏磷酸酐；多磷酸酐；硼酸酐；三氟乙酸、磷酸、正磷酸、偏磷酸、多磷酸和硼酸的混合酸酐；以及它们的组合。在其它多个实施方式中,本文描述了包含氧化石墨烯、官能化氧化石墨烯、化学转化石墨烯、官能化化学转化石墨烯及其组合的混合物,它们可用于降低液体混合物如水性液体混合物、非水性液体混合物及其组合的过滤速率。在一些实施方式中，所述混合物中可以使用至少两种不同粒度范围的氧化石墨稀、官能化氧化石墨稀、化学转化石墨稀和官能化化学转化石墨烯。前面相当宽泛地概述了本专利技术的特征,其目的是使下面的详细描述得到更好的理解。下面将描述本专利技术的其它特征和优点，它们构成权利要求的主题。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其优点，下面的描述将结合描述本专利技术的具体实施方式的附图展开，其中图I显示了一种设想的非限制性机理,说明在石墨的氧化中加入保护剂是如何提高化学选择性的；图2A-2C显示了高度氧化的氧化石墨烯(图2A)、哈默斯氧化石墨烯(图2B)和改进的哈默斯氧化石墨烯(图2C)的示例性拉曼光谱；图3A-3(3显不了 1 度氧化的氧化石墨稀(图3A)、哈默斯氧化石墨稀(图3B)和改进的哈默斯氧化石墨烯(图3C)的示例性FTIR-ATR光谱；图4A-4C显示了高度氧化的氧化石墨烯(图4A)、哈默斯氧化石墨烯(图4B)和改进的哈默斯氧化石墨烯(图4C)的示例性敲击式AFM形貌图；图4D-4F显示了高度氧化的氧化石墨烯(图4D)、哈默斯氧化石墨烯(图4E)和改进的哈默斯氧化石墨烯(图4F)的相应示例性AFM高度分布图；图5显示了高度氧化的氧化石墨烯、哈默斯氧化石墨烯和改进的哈默斯氧化石墨烯的示例性热重分析(TGA)图； 图6A-6C显示了高度氧化的氧化石墨烯(图6A)、哈默斯氧化石墨烯(图6B)和改进的哈默斯氧化石墨烯(图6C)的示例性固态13C NMR谱；图7显示了高度氧化的氧化石墨烯、哈默斯氧化石墨烯和改进的哈默斯氧化石墨烯的示例性XRD谱；图8显示了高度氧化的氧化石墨烯、哈默斯氧化石墨烯和改进的哈默斯氧化石墨烯的相对于Cls石墨Sp2峰归一化的示例性解卷积XPS能谱；图9A-9C显示了高度氧化的氧化石墨烯(图9A)、哈默斯氧化石墨烯(图9B)和改进的哈默斯氧化石墨烯(图9C)的示例性SAED图样；图10A-IOC显示了在花边碳(:[acey-carbon)TEM栅格上得到的高度氧化的氧化石墨烯(图10A)、哈默斯氧化石墨烯(图10B)和改进的哈默斯氧化石墨烯(图10C)的示例性TEM图像；图11显示了高度氧化的氧化石墨烯、哈默斯氧化石墨烯和改进的哈默斯氧化石墨烯的示例性UV/VIS谱图；图12显示了通过用水合胼还原高度氧化的氧化石墨烯、哈默斯氧化石墨烯和改进的哈默斯氧化石墨烯得到的化学转化石墨烯的示例性Cls XPS谱图；图13显示了装有化学转化石墨烯、用来测量电学性质的示例本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·M·图尔，D·V·科森金，
申请(专利权)人：威廉马歇莱思大学，
类型：发明
国别省市：
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