一种制备单层石墨烯的方法技术

一种制备单层石墨烯的方法，向石墨中加入无机酸、苯磺酸钠、过氧苯甲酸，在反应温度为20-30℃下反应后加入KMnO4，搅拌均匀后在反应温度为60-65℃下，反应后，得到棕黄色溶液；向棕黄色溶液中加入水进行稀释，再加入H2O2至溶液为亮黄色，然后过滤，向滤液中加入乙醇搅拌均匀，过滤后将滤饼采用酸洗后水洗至中性，得到氧化石墨；向氧化石墨中加入乙二胺，在超声反应器中反应后，得到单层石墨烯。本发明专利技术得到的石墨烯层数较少、不易团聚，克服了单层石墨烯在自然状态下新重新堆叠及表面吸氧的问题。这种一步剥离还原法制备石墨烯的方法绿色简单，且节约时间成本和生产成本，可以进行大规模生产应用，具有广泛的工业应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯制备领域，具体涉及一种制备单层石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，具有非常优异的性能：超大的比表面积，理论值为2630m2/g；高强度，是已测材料中强度最高的，达1TPa,是钢铁的100多倍；电学性能优异，室温下电子迁移率可达2×105cm2/(V·s)；导热率为5300W·m-1·K-1，是金刚石的三倍，此外在电磁方面还具有室温量子霍尔效应、铁磁性和超导效应等特殊性质。这些优异的性能使石墨烯在晶体管、太阳能电池、燃料电池、传感器、超级电容器和催化剂载体等领域有良好的应用前景。因此石墨烯的制备成为其实际应用的前提。目前，关于石墨烯的制备方法已有大量的报道，但是每种方法因自身限制不能成为制备石墨烯的理想方法。现有的方法中存在着制备工艺复杂，设备费高，并且制备的石墨烯层数较多，存在大量聚集结构等问题。化学剥离法是宏量制备石墨烯的方法中较简单的方法，但是目前的制备技术中制备的氧化石墨氧化不充分且反应时间较长。此外，将氧化石墨剥离还原的通用方法有化学还原法和热剥离法。化学还原法需将氧化石墨再溶剂中充分分散开后加入肼、酚类、硼氢化钠等还原剂进行长时间还原，热剥离法采用传统加热法将氧化石墨在惰性气体保护下长时间高温处理。这两种方法能耗高，工艺复杂且环境不友好且制备过程时间成本高，不适宜工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备石墨烯的方法，采用强酸、多种氧化剂对石墨进行氧化，再通过一步超声剥离还原法使氧化石墨在还原剂中进行剥离和还原反应，得到分散良好且单层的石墨烯。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种制备单层石墨烯的方法，包括以下步骤：(1)向石墨中分别加入无机酸、苯磺酸钠、过氧苯甲酸，在反应温度为20-30℃下反应1.5-3h后加入KMnO4，搅拌均匀后在反应温度为60-65℃下，反应3-5h，得到棕黄色溶液；其中，石墨、苯磺酸钠、过氧苯甲酸、无机酸的质量比为1：(3-5)：(6-9)：(25-30)；KMnO4与石墨的质量比为(8-12):1；(2)向棕黄色溶液中加入水进行稀释，再加入H2O2至溶液为亮黄色，然后过滤，向滤液中加入乙醇搅拌均匀，过滤后将滤饼采用酸洗后水洗至中性，得到氧化石墨；(3)向氧化石墨中加入乙二胺，使氧化石墨均匀分散于乙二胺中，然后在超声反应器中反应3-4h，功率为500-700W，20-40KHz；反应结束后，将反应液过滤，并用乙醇洗涤，得到黑色固体，干燥后得到单层石墨烯。所述无机酸为浓H2SO4或浓HNO3。所述浓H2SO4的质量分数为90％。所述浓硝酸的质量分数为80％。所述H2O2的质量分数为30％。所述酸洗采用质量分数为5％的盐酸进行。所述氧化石墨烯与乙二胺的质量比为1:(50-60)。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：(1)本专利技术使用有机酸与无机酸的混酸溶液，具有更好的氧化性能，在20-30℃反应过程中混酸能更好的插入石墨层间，提升氧化效果；(2)本专利技术先在20-30℃下反应，加入高锰酸钾后再60-65℃下反应，采用阶梯式加热方式能够将石墨插入层间离子，得到充分的氧化。(3)本专利技术采用还原剂辅助的超声剥离法可以一步实现氧化石墨的剥离与还原，不仅节省时间成本，而且避开使用有毒害的水合肼等还原剂，在剥离氧化石墨的过程中将剥离的基层还原，实现生产过程的节能和成本降低，具有广阔的应用前景。(4)本专利技术由于采用超声，可以在较短时间内得到氧化程度优良的氧化石墨，并且在进一步的由氧化石墨制备石墨烯的过程中，直接剥离氧化石墨的同时也进行着还原剂对石墨基层表面羟基、羧基、环氧基等含氧官能团的还原反应。此外，本专利技术得到的石墨烯层数较少、不易团聚，克服了单层石墨烯在自然状态下新重堆叠及表面吸氧的问题。这种一步剥离还原法制备石墨烯的方法绿色简单，且节约时间成本和生产成本，因此可以进行大规模生产应用，具有广泛的工业应用前景。附图说明图1为实施例所制得石墨烯扫描电镜图。图2为实施例所制得石墨烯透射电镜图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。(1)以石墨为原料，向石墨中分别依次加入200mL浓H2SO4(浓H2SO4的质量分数为90％)、10g苯磺酸钠，搅拌均匀后再缓慢加入20g过氧苯甲酸，控制反应温度为20-30℃，持续反应1.5h，得到反应液；(2)向反应液中继续缓慢加入40gKMnO4，剧烈搅拌，保持反应温度为60-65℃，反应3h，得到棕黄色溶液；(3)向棕黄色溶液中加入过量的水稀释搅拌并加入质量浓度为30％H2O2至溶液为亮黄色。过滤所得溶液，将滤饼加入乙醇中充分搅拌，过滤后继续用质量分数5％的盐酸洗滤饼，再用去离子水清洗多次。洗涤结束后，将所得固体中加入300mL乙二胺，使所得氧化石墨分散于溶剂中；将上述溶液在超声反应器中反应3-4h，功率为500-700W，20-40KHz，反应结束后，将反应液过滤，并用无水乙醇洗，得到黑色固体并用喷雾干燥器干燥，得到单层石墨烯。图1和图2分别为单层石墨烯的扫描电镜图片和透射电镜图片。从图中可以看到，合成的石墨烯层数较少，表面存在许多褶皱。实施例2(1)向石墨中分别加入无机酸、苯磺酸钠、过氧苯甲酸，在反应温度为20℃下反应1.5h后加入KMnO4，搅拌均匀后在反应温度为62℃下，反应4h，得到棕黄色溶液；其中，石墨、苯磺酸钠、过氧苯甲酸、无机酸的质量比为1：3：9：27；KMnO4与石墨的质量比为8：1；其中，无机酸为质量分数为90％的浓H2SO4；(2)向棕黄色溶液中加入水进行稀释，再加入H2O2至溶液为亮黄色，然后过滤，将滤饼加入到乙醇中并搅拌均匀，过滤后将滤饼采用质量分数为5％的盐酸洗涤后水洗至中性，得到氧化石墨；(3)向氧化石墨中加入乙二胺，使氧化石墨均匀分散于乙二胺中，然后在超声反应器中反应3h，功率为700W，20KHz；反应结束后，将反应液过滤，并用乙醇洗涤，得到黑色固体，干燥后得到单层石墨烯。其中，氧化石墨烯与乙二胺的质量比为1:50。实施例3(1)向石墨中分别加入无机酸、苯磺酸钠、过氧苯甲酸，在反应温度为30℃下反应2.5h后加入KMnO4，搅拌均匀后在反应温度为65℃下，反应3h，得到棕黄色溶液；其中，石墨、苯磺酸钠、过氧苯甲酸、无机酸的质量比为1：5：6：28；KMnO4与石墨的质量比为10：1；其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备单层石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向石墨中分别加入无机酸、苯磺酸钠、过氧苯甲酸，在反应温度为20‑30℃下反应1.5‑3h后加入KMnO4，搅拌均匀后在反应温度为60‑65℃下，反应3‑5h，得到棕黄色溶液；其中，石墨、苯磺酸钠、过氧苯甲酸、无机酸的质量比为1：(3‑5)：(6‑9)：(25‑30)；KMnO4与石墨的质量比为(8‑12):1；(2)向棕黄色溶液中加入水进行稀释，再加入H2O2至溶液为亮黄色，然后过滤，将滤饼加入到乙醇中并搅拌均匀，过滤后将滤饼采用酸洗后水洗至中性，得到氧化石墨；(3)向氧化石墨中加入乙二胺，使氧化石墨均匀分散于乙二胺中，然后在超声反应器中反应3‑4h，功率为500‑700W，20‑40KHz；反应结束后，将反应液过滤，并用乙醇洗涤，得到黑色固体，干燥后得到单层石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种制备单层石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向石墨中分别加入无机酸、苯磺酸钠、过氧苯甲酸，在反应温度为20-30℃下反应
1.5-3h后加入KMnO4，搅拌均匀后在反应温度为60-65℃下，反应3-5h，得到棕黄色溶液；
其中，石墨、苯磺酸钠、过氧苯甲酸、无机酸的质量比为1：(3-5)：(6-9)：(25-30)；KMnO4与石墨的质量比为(8-12):1；
(2)向棕黄色溶液中加入水进行稀释，再加入H2O2至溶液为亮黄色，然后过滤，将滤
饼加入到乙醇中并搅拌均匀，过滤后将滤饼采用酸洗后水洗至中性，得到氧化石墨；
(3)向氧化石墨中加入乙二胺，使氧化石墨均匀分散于乙二胺中，然后在超声反应器
中反应3-4h，功率为500-700W，20-40KHz；反应结束后，将反应液过滤，并用乙醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明江，
申请(专利权)人：西安天泰化玻仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61