一种多层剥离花状结构的氧化石墨制备方法技术

本发明专利技术提供了一种多层剥离花状结构氧化石墨的制备方法，是将石墨、鳞片石墨、氧化石墨等碳材料先经浓硫酸进行预氧化处理后，再在浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，以氯酸盐为氧化剂进行缓慢氧化剥离，得到具有多层剥离结构的氧化石墨。经扫描电镜测试显示，本发明专利技术制备的氧化石墨片层较大，具有很好的层层剥离效果，并且具有极大的比表面积，约为200~300μm，可作为一种优良的复合材料填充剂来应用，在氧化石墨相关的复合材料中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种多层剥离花状结构的氧化石墨制备方法
本专利技术涉及一种氧化石墨的制备方法，尤其一种多层剥离花状结构氧化石墨制备方法，属于纳米材料

技术介绍
石墨是由六方环网状排列的碳原子层以平行堆叠的方式构成的具有典型层状晶体结构的物质，碳原子层之间是通过范德华力作用，层间距为0.335nm。一般地，石墨通过强酸和强氧化剂氧化处理之后，石墨片层中的碳原子层会被剥离成单层或多层的层间化合物，通常称之为氧化石墨。经过氧化处理得到的氧化石墨结构层中的碳原子和含氧集团键合，使得结构中碳原子的杂化类型改变，同时层间距增大至0.6~1.2nm。氧化石墨层间距的增大会导致范德华力的大大减弱，层层之间相互作用减弱，使得结构层之间实现剥离。层状共价化合物氧化石墨的化学制备方法主要有Hummers，Brodie，Staudenmaier法；这些方法都是通过强酸处理石墨得到氧化石墨，得到的氧化石墨表面含有丰富的含氧官能团，如-OH、-C-O-C-和-COOH等，表现出较强的极性，在水中能够稳定的分散。氧化石墨原料易得，成本低廉，且具有良好的物理和化学性能。如今，氧化石墨除了作为通过“氧化还原化学法”制备石墨烯的中间产物，广泛应用于制备廉价的石墨烯和功能化石墨烯外，其本身也作为一种优良的复合材料填充剂来应用。氧化石墨优良的特性可赋予其复合材料优异的性能，氧化石墨大的比表面积，形成的复合材料其强度和吸附性能得到增强。另外氧化石墨上丰富的氧化位点给复合材料的研究提供了新的思路；深入研究不同形貌氧化石墨的制备和结构分析，对于氧化石墨的制备和应用研究具有重要的理论和实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目是提供一种具有多层剥离花状结构的氧化石墨制备方法。本专利技术一种多层剥离花状结构的氧化石墨制备方法，包括以下工艺步骤：（1）碳材料的预氧化：将碳材料分散于浓硫酸中，加入K2S2O8，加热至80~85℃，恒温搅拌反应4~5h，得到均一的预氧化产物；反应过程中，浓硫酸溶液提供一个氧化环境，过硫酸钾作为氧化剂进行插层，降低石墨烯层间范德华力，增大石墨烯片层之间的距离；冷却至室温，所得产物分散于超纯水中，过滤，乙醇和超纯水洗涤，干燥，得预氧化碳材料。所述碳材料为石墨，鳞片石墨，氧化石墨中的一种。所述浓硫酸的质量百分比浓度为95~98%，浓硫酸的用量为碳材料质量的90~100%。所述硫代硫酸钾（K2S2O3）加入量为碳材料质量的70~75%。（2）多层剥离花状结构氧化石墨的制备：将预氧化碳材料加入到浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中，在0~5℃下搅拌10~15min使反应物混合均匀；然后向其中缓慢加入氯酸钾，室温下搅拌反应100~120h；所得产物分散于超纯水中，过滤，乙醇和超纯水洗涤，干燥，得到多层剥离花状结构氧化石墨。所述浓硫酸的质量百分比浓度为95~98%，浓硝酸的质量分数为63~68%；浓硫酸与浓硝酸的体积比为2:1~2.5:1，这两种酸的存在不仅共同提供了氧化环境，并且浓硝酸的加入可以避免在氧化过程中因反应反应体系中浓硫酸粘稠而出现的氧化不充分的现象。所述氯酸钾用量为预氧化碳材料质量的90~95%。氯酸钾是强氧化剂，其作用是对预氧化碳材料进行氧化剥离，得到具有大片层的氧化石墨。步骤（1）、（2）中的干燥均是在-50~-55℃下真空冷冻干燥24~25h。下面通过扫描电镜、红外光谱图对本专利技术制备的一种多层剥离花状结构氧化石墨的结构进行分析说明。1、扫描电镜分析图1为实施例1制备的多层剥离花状结构的氧化石墨扫描电镜图。扫描电镜图显示，氧化石墨被剥离成多层花状结构，所得氧化石墨片层具有极大的比表面积。图2为图1对应的放大图，可以更清楚的表示氧化石墨的大片层结构。图3为鳞片石墨作为碳源经过氧化制备的氧化石墨的扫描电镜图，图4为图3的放大图；从图3和4可以看出，制得的氧化石墨具有很好的多层剥离花状结构，并且层间剥离的花瓣状结构明显，都具有完整的花状结构。通过扫描电镜分析可见，不同的碳源材料经过相同的处理步骤，能得到多层剥离花状结构氧化石墨。本专利技术制备的氧化石墨片层较大，层厚约1~5nm，层间约1~50μm，具有很好的层层剥离效果，并且具有极大的比表面积，约为200~300μm。2、红外分析图5为所制备多层剥离花状结构氧化石墨的红外光谱图。红外光谱显示，样品在1103cm-1处出现了C-O-C官能团强烈的振动吸收峰，这与氧化石墨上环氧基的吸收峰相吻合；1620cm−1处出现的吸收峰归属于C=C键的伸缩振动；1730cm−1处的吸收峰归属于羰基上的C=O键的吸收峰；3400cm−1处是由于样品所吸收的水分子的O-H键的伸缩振动产生的。红外光谱中出现了氧化石墨对应的特征峰，说明通过这种方法成功制备了氧化石墨。综上所述，本专利技术先将不同碳源经酸化预氧化处理，使得反应物具有一定的活性；再在强酸条件下，用氯酸盐缓慢氧化剥离，得到具有大片层的氧化石墨，并且这种氧化石墨具有很好的多层剥离花状结构，可作为一种优良的复合材料填充剂来应用，在氧化石墨相关的复合材料中具有广阔的应用前景。附图说明图1为实施例1制备的多层剥离花状结构的氧化石墨扫描电镜图；图2为图1的放大图；图3为实施例2制备的多层剥离花状结构的氧化石墨扫描电镜图；图4为图3的放大图；图5为本专利技术中制备的多层剥离花状结构的氧化石墨红外光谱图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术多层剥离花状结构的氧化石墨制备进行详细说明。实施例1（1）碳材料的预氧化：将1g氧化石墨分散于100mL浓硫酸（浓度98%）中，加入2.5gK2S2O3，加热至85℃，恒温搅拌反应5h，得到均一的预氧化产物；冷却至室温，所得产物转入超100ml纯水中分散均匀，布氏漏斗过滤，乙醇和超纯水洗涤，在-55℃下真空冷冻干燥24h，得预氧化碳材料；（2）多层剥离花状结构氧化石墨的制备：将上述预氧化碳材料加入17mL浓硫酸（质量浓度96%）和9mL浓硝酸（质量浓度63%）的混合溶液中，在0~5℃下磁力搅拌10min使反应物混合均匀；控制温度在0~5℃，向其中缓慢加入10g氯酸钾，混合物在室温下搅拌反应120h；所得产物转入超50ml纯水中分散均匀，布氏漏斗过滤，乙醇和超纯水洗涤，在-55℃下真空冷冻干燥24h，得多层剥离花状结构的氧化石墨，其扫描电镜图见图1、2，红外谱图见图5。实施例2（1）碳材料的预氧化：将1g鳞片石墨分散于100mL浓硫酸（95%）中，加入2.5gK2S2O3，加热至85℃，恒温搅拌反应5h，得到均一的预氧化产物；冷却至室温，将所得产物分散于200ml超纯水中分散均匀，布氏漏斗过滤，乙醇和超纯水洗涤，在-55℃下真空冷冻干燥24h，得预氧化碳材料；（2）多层剥离花状结构的氧化石墨制备：将上述预氧化碳材料加入20mL浓硫酸（质量浓度95%）和9mL浓硝酸（质量浓度65%）的混合溶液中，在0~5℃下磁力搅拌10min使反应物混合均匀；控制温度在0~5℃，向其中缓慢加入10g氯酸钾；然后反应混合物在室温下搅拌反应120h；将得到的产物转入50ml超纯水中分散均匀，布氏漏斗过滤，乙醇和超纯水洗涤，在-55℃下真空冷冻干燥24h，得到图3对应的多层剥离花状结构氧化石墨。其扫描电镜图见图3、4，红外谱图见图5。实施例3（1）预氧化碳材料的制备：将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层剥离花状结构氧化石墨的制备方法，包括以下工艺步骤：（1）碳材料的预氧化：将碳材料分散于浓硫酸中，加入K2S2O8，加热至80~85℃，恒温搅拌反应4~5h，得到均一的预氧化产物；冷却至室温，所得产物分散于超纯水中，过滤，乙醇和超纯水洗涤，干燥，得预氧化碳材料；（2）多层剥离花状结构氧化石墨的制备：将预氧化碳材料加入到浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，在0~5℃下搅拌10~15min使反应物混合均匀后向其中缓慢加入氯酸钾，室温下搅拌反应100~120h；所得产物分散于超纯水中，过滤，乙醇和超纯水洗涤，干燥，得到多层剥离花状结构氧化石墨。

【技术特征摘要】
1.一种多层剥离花状结构氧化石墨的制备方法，包括以下工艺步骤：（1）碳材料的预氧化：将碳材料分散于浓硫酸中，加入K2S2O8，加热至80~85℃，恒温搅拌反应4~5h，得到均一的预氧化产物；冷却至室温，所得产物分散于超纯水中，过滤，乙醇和超纯水洗涤，干燥，得预氧化碳材料；（2）多层剥离花状结构氧化石墨的制备：将预氧化碳材料加入到浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，在0~5℃下搅拌10~15min使反应物混合均匀后向其中缓慢加入氯酸钾，室温下搅拌反应100~120h；所得产物分散于超纯水中，过滤，乙醇和超纯水洗涤，干燥，得到多层剥离花状结构氧化石墨。2.如权利要求1所述一种多层剥离花状结构的氧化石墨制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述碳材料为石墨，鳞片石墨，氧化石墨中的一种。3.如权利要求1所述一种多层剥离花状结构的氧化石墨制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫尊理，张红娟，郭瑞斌，冯航空，王瑞娟，燕敏，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62