一种氧化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，首先将石墨、插层剂和辅助插层剂混合后，进行反应，得到反应混合物；然后降温后，将上述步骤得到的反应混合物和氧化剂再次反应，加入水，再升温反应后，得到中间体系；所述石墨与所述氧化剂的质量比为1：(1.5～2.0)；最后将上述步骤得到的中间体系与还原剂继续反应后，得到氧化石墨烯；所述氧化石墨烯中，碳元素与氧元素的摩尔比为(1.6～2)：1。片层厚度为5～10nm。本发明专利技术提出了中度氧化的概念，结合特定的制备步骤，将碳氧元素摩尔比控制特定范围内，得到了高硬度、表面结构完整的氧化石墨烯，提高了后续制备的石墨烯的导电率。本发明专利技术简单易行，利于实现工业化生产。

A preparation method of graphene oxide

The present invention provides a method for preparing graphene oxide, which comprises the following steps. Firstly, graphite intercalation agent and auxiliary intercalation agent after mixing, reaction, the reaction mixture obtained after cooling; then, the reaction mixture and the oxidant steps are again reaction, adding water, heating up again after the reaction and get the intermediate system; the quality of graphite and the oxidizing agent is 1: (1.5 ~ 2); finally, the system of intermediate steps are continued after reaction with a reducing agent, obtain graphene oxide; the graphene oxide, carbon and oxygen mole ratio for (1.6 ~ 2):1. The thickness of the lamellar layer is from 5 to 10nm. The invention proposes a concept of moderate oxidation, which combines specific preparation steps to control the molar ratio of carbon and oxygen to a specific range, and obtains high hardness and complete surface structure of graphene oxide, which improves the conductivity of subsequent prepared graphene. The invention is simple and convenient, and is beneficial to the realization of industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨烯的制备方法
本专利技术属于石墨烯材料
，涉及一种氧化石墨烯的制备方法，尤其涉及一种氧化程度可控的氧化石墨烯的制备方法。
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；而且石墨烯如果能够制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。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。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”，而且潜在的应用前景广大，目前已成为全世界的关注焦点与研究热点。在石墨烯的众多制备方法中，通过对氧化石墨烯进行还原制备石墨烯的方法(即氧化还原法)，已成为制备大批量、低成本石墨烯的最重要方法之一，对促进石墨烯的工业化具有重大意义。然而在实际应用中，石墨烯还存在着诸多的问题和制约因素，目前石墨烯在材料中的应用存在两方面的技术瓶颈：一是石墨烯极易团聚，带来分散性方面的难题；二是石墨烯的惰性表面，使其与基体材料的结合强度不佳。现有产品中，氧化石墨烯表面含有丰富的基团，一方面削弱了石墨烯片层之间的相互作用力，赋予其优异的分散性能，可有效降低团聚倾向；另一方面提供了大量的化学反应活性点，易与其他材料复合形成良好的界面。但是，现有的氧化石墨烯的制备方法中，氧化石墨烯的晶格结构在氧化过程中已被破坏，丧失了石墨烯的许多优异特性，之后通常会采用还原手段来得到石墨烯，因而往往导致还原生成的石墨烯。表面容易造成缺陷，形成五边形或七边形的晶格，电导率通常很低。因此，控制氧化石墨烯的制备过程，是后续石墨烯具有优异的性能的重要前提，而如何能够得到一种过程可控的氧化石墨烯的制备方法，已成为业内诸多研究人员和相关厂商亟待解决的问题之一。
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的制备方法，特别是一种氧化程度可控的氧化石墨烯的制备方法，本专利技术提供的氧化石墨烯的制备方法，过程可控，能够精准的控制氧化石墨烯的氧化程度在特定的范围内，从而提高后续高导电率的石墨烯产品。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)将石墨、插层剂和辅助插层剂混合后，进行反应，得到反应混合物；B)降温后，将上述步骤得到的反应混合物和氧化剂再次反应，加入水，再升温反应后，得到中间体系；所述石墨与所述氧化剂的质量比为1：(1.5～2.0)；C)将上述步骤得到的中间体系与还原剂继续反应后，得到氧化石墨烯；所述氧化石墨烯中，碳元素与氧元素的摩尔比为(1.6～2)：1。优选的，所述石墨包括鳞片石墨和/或可膨胀石墨；所述插层剂包括浓硫酸、浓磷酸、高氯酸、高碘酸和三氟甲磺酸中的一种或多种；所述辅助插层剂包括浓硝酸；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、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。优选的，所述石墨与所述插层剂的质量比为1：(50～70)；所述石墨与所述辅助插层剂的质量比为1：(1～1.8)；所述石墨与所述水的质量比为1：(30～40)；所述石墨与所述还原剂的质量比为1：(1～3)。优选的，所述反应的时间为8～12小时；所述反应的温度为25～30℃；所述氧化石墨烯的片层厚度为5～10nm。优选的，所述步骤A)具体为：将石墨与插层剂先混合，再加入辅助插层剂进行反应，得到反应混合物；所述先混合的时间为1～2小时。优选的，所述再次反应的温度为5～10℃；所述再次反应的时间为48～65小时。优选的，所述加入水的温度为小于50℃；所述升温反应的温度为80～95℃；所述升温反应的时间为2～5小时。优选的，所述继续反应的温度为40～50℃；所述继续反应的时间为2～6小时。优选的，所述继续反应后还包括后处理步骤；所述后处理步骤包括清洗、分离和干燥中的一种或多种；所述后处理步骤后，硫酸根离子含量为小于等于50ppm。本专利技术还提供了一种石墨烯，由上述技术方案任意一项所制备的氧化石墨烯经还原后得到；所述还原包括热还原和/或化学还原。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，首先将石墨、插层剂和辅助插层剂混合后，进行反应，得到反应混合物；然后降温后，将上述步骤得到的反应混合物和氧化剂再次反应，加入水，再升温反应后，得到中间体系；所述石墨与所述氧化剂的质量比为1：(1.5～2.0)；最后将上述步骤得到的中间体系与还原剂继续反应后，得到氧化石墨烯；所述氧化石墨烯中，碳元素与氧元素的摩尔比为(1.6～2)：1。与现有技术相比，本专利技术针对现有的氧化石墨烯制备过程中，存在的氧化石墨烯结构被破坏的缺陷，本专利技术在多种氧化石墨烯的制备方法中，选择特定的制备方法，又在诸多影响因素中，从氧化程度方面入手，创造性的提出了中度氧化的概念，通过控制石墨与氧化剂的比例，结合特定的制备步骤，将氧化石墨烯的碳氧元素摩尔比控制在1.6～2之间，得到了高硬度、表面结构完整的氧化石墨烯，从而有效的解决了现有的氧化石墨烯中表面多孔洞，分散到有机溶剂中容易发生卷曲，褶皱等问题，大大提高了后续制备的石墨烯的导电率。而且本专利技术制备的氧化石墨烯的片层厚度控制在5～10nm之间。同时，本专利技术的制备步骤简单易行，条件温和，有利于实现工业化生产。实验结果表明，本专利技术制备的氧化石墨烯分散在有机溶剂中仍能够保持片形结构，而且具备较强的硬度，扫描电镜、金相显微镜结果显示片层厚度较薄，并且具备丰富的官能团有利于进一步的复合应用。此外还原后的石墨烯电导率达到15000S/m以上，远高于普通方法制备的石墨烯。附图说明图1为本专利技术实施例3制备的氧化石墨烯溶液的液态电镜图；图2为本专利技术实施例3制备的氧化石墨烯的固体电镜图；图3为本专利技术实施例3制备的氧化石墨烯的XRD衍射图；图4为本专利技术实施例3制备的氧化石墨烯的红外光谱图；图5为本专利技术实施例3制备的氧化石墨烯的原子力显微镜谱图；图6为本专利技术实施例3制备的氧化石墨烯分散到二甲苯中的金相显微镜照片；图7为本专利技术比较例1制备的氧化石墨烯分散到二甲苯中的金相显微镜照片。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对专利技术权利要求的限制。本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。本本文档来自技高网...

【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)将石墨、插层剂和辅助插层剂混合后，进行反应，得到反应混合物；B)降温后，将上述步骤得到的反应混合物和氧化剂再次反应，加入水，再升温反应后，得到中间体系；所述石墨与所述氧化剂的质量比为1：(1.5～2.0)；C)将上述步骤得到的中间体系与还原剂继续反应后，得到氧化石墨烯；所述氧化石墨烯中，碳元素与氧元素的摩尔比为(1.6～2)：1。

【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)将石墨、插层剂和辅助插层剂混合后，进行反应，得到反应混合物；B)降温后，将上述步骤得到的反应混合物和氧化剂再次反应，加入水，再升温反应后，得到中间体系；所述石墨与所述氧化剂的质量比为1：(1.5～2.0)；C)将上述步骤得到的中间体系与还原剂继续反应后，得到氧化石墨烯；所述氧化石墨烯中，碳元素与氧元素的摩尔比为(1.6～2)：1。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨包括鳞片石墨和/或可膨胀石墨；所述插层剂包括浓硫酸、浓磷酸、高氯酸、高碘酸和三氟甲磺酸中的一种或多种；所述辅助插层剂包括浓硝酸；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、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。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨与所述插层剂的质量比为1：(50～70)；所述石墨与所述辅助插层剂的质量比为1：(1～1.8)；所述石墨与所述水的质量比为1：(30～40)；所述石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永彬，张在忠，程金杰，吴开付，
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