石墨烯氧化物的制备和石墨烯的制备制造技术

本发明专利技术涉及石墨烯氧化物的制备，包括：a)石墨氧化得到包含石墨氧化物的混合物；b)将所得混合物稀释成分散体，c)将所得水分散体静置以除上层清液；d)任选重复步骤b)和c)；e)将除上层清液后所得残留物稀释成水分散体，然后分级过滤；f)将细筛筛上物干燥和粉碎；g)将粉碎物在惰性气氛中热膨胀；h)将热膨胀产物水洗和干燥；i)将干燥产物分散形成水分散体，然后超声、微波和/或高剪切作用，得石墨烯氧化物溶胶；和j)将石墨烯氧化物溶胶干燥，得石墨烯氧化物。该方法大大缩短石墨烯氧化物的制备，且石墨烯氧化物纯度高。本发明专利技术还涉及石墨烯的制备，该制备因石墨烯氧化物制备缩短而缩短，并且所制备石墨烯具有高纯度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备石墨烯氧化物的方法和一种制备石墨烯的方法。
技术介绍
自2004年安德烈.Κ.海姆(Andre K.Geim)首次制造出石墨稀以来，作为一种新型的二维纳米碳质材料，石墨烯在科学界引起了广泛的关注和深入的研究。石墨烯是具有单层碳原子厚度的、由碳原子呈二维蜂窝状晶格结构排列的一种新型碳质材料，被认为是所有其他维数碳质材料的基本组成单元，如可以包成零维的富勒稀，卷曲成一维的碳纳米管，堆砌成三维的石墨等。石墨烯是由碳原子以sp2杂化结合成的单原子碳层，结构非常稳定，具有优异的力学性能、奇特的电学性质和良好的热学性质。研究发现，石墨烯杨氏模量可达llOOOGPa，断裂强度达125GPa，热导率达5000W/(m.Κ)，理论比表面积高达2630m2/g，而且具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和从不消失的电导率等性质，在航空航天、新材料、电力、电子等领域具有良好的应用前景。现有技术公开了多种石墨烯的制备方法，包括氧化石墨还原法、微机械剥离法、化学气相沉积法、Sic外延生长法和电化学法等，其中，微机械剥离法、化学气相沉积法、SiC外延生长法和电化学法均具有工艺复杂、成本高等缺点，而具有成本低廉、可量化制备、方法简单等优点的氧化石墨还原法则成为研究热点。—般制备石墨稀采用传统的化学剥离法，也即Hmnmers法。后来Hmnmers又对传统方法经过改良，形成改进的Hmnmers法，改进的Hmnmers法以鳞片石墨为原料，以高猛酸钾、浓硫酸、硝酸钠为氧化剂，将石墨氧化成氧化石墨，再通过超生清洗，去掉氧化物和其他杂质，得到单层的石墨烯氧化物。而通过各种还原方法，如加热还原、水热还原、激光还原、化学还原等使石墨烯氧化物还原就能得到石墨烯。总体而言，石墨氧化还原法制石墨烯的思路是，首先将石墨氧化并剥离成石墨烯氧化物，再还原得到石墨烯，其中，将石墨氧化并剥离得到石墨烯氧化物是关键步骤。在现有技术中，为了得到适于进行随后还原以得到石墨烯的石墨烯氧化物，通常将石墨氧化得到的产物混合物先进行超声、离心和热膨胀，以剥离得到石墨烯氧化物。然而，如此制备工艺所需时间较长，不利于工业化。
技术实现思路
鉴于上述现有技术问题，本专利技术的专利技术人在石墨烯的制备方面进行了广泛而又深入的研究，以期发现一种在氧化还原法制石墨烯的过程中大大缩短制备石墨烯氧化物的方法，该方法不仅能大大缩短由石墨的氧化产物制石墨烯氧化物的时间，而且所制备的石墨烯氧化物的纯度高，从而允许更快地制备高纯度的石墨烯。本专利技术人发现，在将石墨氧化得到的石墨氧化物产物混合物进行石墨氧化物的剥离(以得到石墨烯氧化物)之前，先静置分离并然后进行分级过滤，如此操作可大大缩短石墨烯氧化物的制备时间，并且所得石墨烯氧化物的纯度高，从而允许更快地制备高纯度的石墨烯。因此，本专利技术的一个目的是提供一种制备石墨烯氧化物的方法，该方法可大大缩短石墨烯氧化物的制备时间，并且所得石墨烯氧化物的纯度高，通常可达到99%，优选至少为99.5%，从而允许更快地制备高纯度的石墨烯。本专利技术的另一目的是提供一种制备石墨烯的方法，该方法因石墨烯氧化物的制备过程大大缩短而缩短其制备过程，并且所制备石墨烯因石墨烯氧化物的纯度高而具有高纯度，通常可达到99%，优选至少为99.5%。实现本专利技术上述目的的技术方案可以概括如下:1.一种制备石墨烯氧化物的方法，包括如下步骤:a)将石墨在浓酸和强氧化剂作用下进行氧化反应，得到包含石墨氧化物的反应混合物；b)利用水将步骤a)得到的反应混合物稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.l-15g/L的水分散体，c)将步骤b)所得水分散体任选在搅拌之后，进行静置分离，除去上层清液；d)任选地，将步骤b)和c)重复1-3次；e)将最后一次步骤c)中除去上层清液之后得到的残留物用水稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.l-15g/L的水分散体，将所得水分散体进行分级过滤:先将所得水分散体过滤通过30-200目的粗筛，然后将粗筛的筛上物在水的冲洗作用下或者将粗筛的筛上物用水稀释形成水分散体后，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.l_15g/L、优选0.5-10g/L的水分散体后再过滤通过200-300目的细筛，其中粗筛的网孔大于细筛的网孔，之后任选地将该分级过滤依先过粗筛后过细筛重复1-3次；f)将步骤e)得到的细筛筛上物干燥和粉碎，得到粉碎物；g)将步骤f)得到的粉碎物在惰性气氛中于300-400°C的温度下保持30-120分钟，以进行热膨胀；h)将步骤g)得到的热膨胀产物进行水洗和干燥，得到干燥产物；i)将步骤h)的干燥产物分散在水中形成水分散体，将所得水分散体进行超声、微波和/或高剪切作用，得到石墨烯氧化物溶胶；以及j)将步骤i)所得石墨烯氧化物溶胶干燥，即得到石墨烯氧化物。2.根据第1项的方法，其中所述浓酸为浓硫酸，和所述强氧化剂为高锰酸钾和硝酸盐如硝酸钠；或者所述浓酸为浓盐酸，所述强氧化剂为高氯酸钾或高氯酸钠。3.根据第1或2项的方法，其中粗筛的网目为80-120目，细筛的网目为200-250目；或者粗筛的网目为80-200目，细筛的网目为250-300目。4.根据第1-3项中任一项的方法，其中步骤f)得到的粉碎物的细度为20-200目，优选20-60目。5.根据第1-4项中任一项的方法，其中步骤g)中的热膨胀于300_350°C的温度下保持30-45分钟而进行。6.根据第5项的方法，其中步骤g)中的热膨胀在惰性气氛下进行，优选在队或Ar/N2混合气气氛下进行。7.根据第1-6项中任一项的方法，其中步骤b)和步骤e)中的水分散体按不溶性固体物质的浓度各自独立地为Ι-lOg/L，优选为l-3g/L。8.根据第1-7项中任一项的方法，其中步骤h)中水洗的水添加量应使得所形成水分散体中不溶性固体物质量为0.l_15g/L，优选为l-10g/L，更优选为l-3g/L。9.一种制备石墨烯的方法，包括如下步骤:1)根据第1-8项中任一项的方法制备石墨烯氧化物；和2)将步骤1)得到的石墨稀氧化物还原，得到石墨稀。10.根据第9项的方法，其中步骤2)的还原向石墨烯氧化物的水溶液或者水分散液中引入还原剂在60-100°C下保持30-300分钟的时间而进行，优选所述还原剂选自水合肼、抗坏血酸、硼氢化钠和氢气。【具体实施方式】根据本专利技术的一个方面，提供了一种制备石墨烯氧化物的方法，包括如下步骤:a)将石墨在浓酸和强氧化剂作用下进行氧化反应，得到包含石墨氧化物的反应混合物；b)利用水将步骤a)得到的反应混合物稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.l-15g/L的水分散体，c)将步骤b)所得水分散体任选在搅拌之后，进行静置分离，除去上层清液；d)任选地，将步骤b)和c)重复1-3次；e)将最后一次步骤c)中除去上层清液之后得到的残留物用水稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.l-15g/L的水分散体，将所得水分散体进行分级过滤:先将所得水分散体过滤通过30-200目的粗筛，然后将粗筛的筛上物在水的冲洗作用下或者将粗筛的筛上物用水稀释形成水分散体后，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.l_15g/L、优选0.5-10g/L的水分散体后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨烯氧化物的方法，包括如下步骤：a)将石墨在浓酸和强氧化剂作用下进行氧化反应，得到包含石墨氧化物的反应混合物；b)利用水将步骤a)得到的反应混合物稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.1‑15g/L的水分散体，c)将步骤b)所得水分散体任选在搅拌之后，进行静置分离，除去上层清液；d)任选地，将步骤b)和c)重复1‑3次；e)将最后一次步骤c)中除去上层清液之后得到的残留物用水稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.1‑15g/L的水分散体，将所得水分散体进行分级过滤：先将所得水分散体过滤通过30‑200目的粗筛，然后将粗筛的筛上物在水的冲洗作用下或者将粗筛的筛上物用水稀释形成水分散体后，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.1‑15g/L、优选0.5‑10g/L的水分散体后再过滤通过200‑300目的细筛，其中粗筛的网孔大于细筛的网孔，之后任选地将该分级过滤依先过粗筛后过细筛重复1‑3次；f)将步骤e)得到的细筛筛上物干燥和粉碎，得到粉碎物；g)将步骤f)得到的粉碎物在惰性气氛中于300‑400℃的温度下保持30‑120分钟，以进行热膨胀；h)将步骤g)得到的热膨胀产物进行水洗和干燥，得到干燥产物；i)将步骤h)的干燥产物分散在水中形成水分散体，将所得水分散体进行超声、微波和/或高剪切作用，得到石墨烯氧化物溶胶；以及j)将步骤i)所得石墨烯氧化物溶胶干燥，即得到石墨烯氧化物。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋明智，安军伟，
申请(专利权)人：宋明智，安军伟，
类型：发明
国别省市：北京;11