一种可导电氧化石墨烯及其制备方法和应用技术

技术编号:21761999 阅读:25 留言:0更新日期:2019-08-03 19:11
本发明专利技术实施例涉及新材料领域,具体涉及一种可导电氧化石墨烯及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的可导电氧化石墨烯的制备方法,通过低温阶段和中温阶段的反应实现氧化石墨的部分氧化和插层,后在碱性条件下超声实现氧化石墨烯的剥离,不需要石墨的充分氧化即可实现氧化石墨烯的充分剥离,所需反应温度低,安全可控。且部分氧化对共轭结构破坏相对较少,也尽可能地保留了石墨原有的导电性,使得本发明专利技术制得的可导电氧化石墨烯,仅发生了较低程度的氧化,氧化度低,片层结构保持得相对较好,具有导电性,且其单片层可在水相中稳定分散。本发明专利技术制得的可导电氧化石墨烯在导电复合材料等领域有潜在的应用价值。

A Conductive Graphene Oxide and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种可导电氧化石墨烯及其制备方法和应用
本专利技术涉及新材料领域,具体涉及一种可导电氧化石墨烯及其制备方法和应用。
技术介绍
氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(RGO)作为石墨烯的衍生物已经被广泛研究,Hummers法及改进的Hummers法制备氧化石墨烯是应用最为广泛的,所制氧化石墨烯的C/O比均小于1,即所制氧化石墨烯具有较高的氧化程度,表面含有丰富的官能团,为其与其材料复合或构筑功能材料提供了条件。但是,现有方法制备氧化石墨烯存在下述问题:(1)大量氧原子的引入破坏了原始石墨的共轭结构,因此Hummers法及改进的Hummers法制备的氧化石墨烯由于氧化度较高,结构破坏严重,几乎不导电,从而限制了其在制备导电纳米复合材料方面的应用。(2)现有制备氧化石墨烯的方法,包括Hummers法,在制备氧化石墨烯时均需经历低温,中温,高温三个阶段,在低温阶段实现石墨的初步插层,中温阶段进一步插层和部分膨胀,并在石墨中引入一定的含氧基团,通过高温来进一步氧化和剥离石墨。即现有技术在制备氧化石墨烯时,其剥离与氧化是同步进行的。高温反应是石墨得到充分氧化的保证,其温度需在95℃及以上。并且现有制备方法在反应过程中需要严格控制反应温度,反应时间长、步骤繁琐,不适合大规模生产。公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
专利技术目的为解决上述技术问题,本专利技术的目的在于提供一种可导电氧化石墨烯及其制备方法和应用。本专利技术提供的可导电氧化石墨烯的制备方法,通过低温阶段和中温阶段的反应实现氧化石墨的部分氧化和插层,后在碱性条件下超声实现氧化石墨烯的剥离,不需要石墨的充分氧化即可实现氧化石墨烯的充分剥离,所需反应温度低,安全可控。且部分氧化对共轭结构破坏相对较少,也尽可能地保留了石墨原有的导电性,使得本专利技术制得的可导电氧化石墨烯,仅发生了较低程度的氧化,氧化度低,片层结构保持得相对较好,具有导电性,且其单片层可在水相中稳定分散。本专利技术制得的可导电氧化石墨烯在导电复合材料等领域有潜在的应用价值。解决方案为实现本专利技术目的,本专利技术实施例提供了一种可导电氧化石墨烯,所述可导电氧化石墨烯的C/O值为1-5;可选地为1-3。本专利技术中,C/O比值通过X射线光电子能谱分析(XPS)测得。上述可导电氧化石墨烯在一种可能的实现方式中,可导电氧化石墨烯的表面电阻值为1-10MΩ;可选地为1-8MΩ。本专利技术中,表面电阻值使用万用表测得。本专利技术实施例还提供了一种可导电氧化石墨烯的制备方法,包括:将高锰酸钾、石墨和浓硫酸先在0-5℃反应,再在30-40℃反应后,冷却,滴加过氧化氢;再将反应液在碱性条件下超声,即得。上述制备方法在一种可能的实现方式中,所述制备方法包括:A.低温氧化制备预处理石墨:(1)将浓硫酸加入到反应容器中,然后缓慢加入高锰酸钾和石墨,水浴条件下持续搅拌5-10min;其中,高锰酸钾、石墨和浓硫酸的质量体积比为1-10g:1-10g:20-200mL;水浴温度为0-5℃;(2)将水浴温度提高至30-40℃,持续搅拌1-2h;然后将反应液加入到冰水中,逐滴加入过氧化氢至不再产生泡沫;再将反应液抽滤洗涤至中性,得石墨浆;B.将预处理石墨的碱溶液在细胞破碎机中超声:(3)将步骤(2)得到的石墨浆加入到NaOH溶液中,置于细胞破碎机中超声,得悬浮液;其中,超声功率为180-360W,超声时间为1-2h;C.离心得到可导电氧化石墨烯分散液:(4)将步骤(3)得到的悬浮液,离心,取上层分散液,即得可导电氧化石墨烯分散液。上述制备方法在一种可能的实现方式中,步骤(3)中,NaOH溶液的物质的量浓度为0.5-1mol/L,可选地为1mol/L;NaOH溶液的体积为20-2000mL。上述制备方法在一种可能的实现方式中,浓硫酸的质量百分比浓度为70%-98%。上述制备方法在一种可能的实现方式中,所用石墨为鳞片状石墨,尺寸为32目-12000目;可选地为80-325目。上述制备方法在一种可能的实现方式中,高锰酸钾、石墨和浓硫酸的质量体积比为1g:1g:20mL。上述制备方法在一种可能的实现方式中,步骤(2)中,冰水的体积为20-2000mL。上述制备方法在一种可能的实现方式中,逐滴加入质量分数为30%的过氧化氢至不再产生泡沫,并在此过程中持续搅拌。上述制备方法在一种可能的实现方式中,步骤(4)中,离心的步骤包括:多次离心使下层沉淀中的氧化石墨烯分散至上层水中形成氧化石墨烯水分散液;其中,离心机转速为8000-9000rad/min。本专利技术实施例还提供了上述制备方法制得的可导电氧化石墨烯。本专利技术实施例还提供了上述可导电氧化石墨烯在导电复合材料中的应用。有益效果(1)本专利技术实施例中提供的可导电氧化石墨烯的制备方法,通过低温阶段和中温阶段的反应实现氧化石墨的部分氧化和插层;后在碱性条件下超声,实现氧化石墨烯的充分剥离。因为氧化石墨烯上的羧基在碱性条件下能发生电离,片层之间存在静电排斥作用,再在超声的辅助下,可实现氧化石墨烯片层之间的充分剥离。本专利技术实施例提供的方法,既不需要石墨的充分氧化,也无需氧化阶段和剥离阶段的同步进行,即可实现氧化石墨烯的充分剥离。同时,部分氧化对共轭结构破坏相对较少,也尽可能地保留了石墨原有的导电性。(2)现有技术制备氧化石墨烯时,剥离与氧化同步进行,而高温反应是石墨得到充分氧化的保证,反应温度需在95℃及以上。而本专利技术实施例中提供的制备方法,采用在碱性条件下超声辅助剥离的方法替代了传统方法中的高温反应,氧化和剥离分步进行,氧化石墨烯的充分剥离不再依赖于高温反应,制备过程中反应温度低,反应时间短,避免了现有方法中高温阶段反应的不可控性,安全性高;且缩短了低温阶段反应时间,延长了中间阶段反应时间,可进一步更好的实现插层作用和部分氧化作用;此外,本专利技术的制备方法一定程度上降低了浓硫酸和高锰酸钾的用量,降低了能耗并且更加绿色环保。(3)传统Hummers法只有在氧化度较高的情况下才能实现氧化石墨烯在水相中较好的剥离,一旦氧化程度较低,剥离便难以实现。本专利技术实施例中提供的制备方法,在低于传统Hummers法制备的氧化石墨烯的氧化度的情况下,实现了氧化石墨烯在水相中的剥离,突破了传统Hummers法中氧化度限制。(4)本专利技术实施例提供的制备方法制得的可导电氧化石墨烯,氧化程度远低于传统Hummers法制得的氧化石墨烯;本专利技术的可导电氧化石墨烯,其C/O比(1<C/O比≤3)远大于传统Hummers法制得的氧化石墨烯的C/O比(C/O比远小于1)。较低程度的氧化,对共轭结构破坏相对较少,氧化石墨烯的片层结构保持的相对较好,同时也尽可能地保留了石墨原有的导电性。因此,本专利技术制备的氧化石墨烯具有导电性,将本专利技术制得的氧化石墨烯通过抽滤得到的氧化石墨烯薄膜,万用表测其表面电阻值在MΩ级别。而现有技术所制得的氧化石墨烯,在高度氧化过程中造成了永久的片层缺陷,同时失去了石墨烯原有的导电性。(5)本专利技术实施例提供的制备方法制得的可导电氧化石墨烯在低氧化度的情况下实现了氧化石墨烯单片层在水相中的稳定分散。这主要是因为:超声剥离的原理是在碱性条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可导电氧化石墨烯,其特征在于:所述可导电氧化石墨烯的C/O值为1‑5;可选地为1‑3。

【技术特征摘要】
1.一种可导电氧化石墨烯,其特征在于:所述可导电氧化石墨烯的C/O值为1-5;可选地为1-3。2.根据权利要求1所述的可导电氧化石墨烯,其特征在于:可导电氧化石墨烯的表面电阻值为1-10MΩ;可选地为1-8MΩ。3.一种可导电氧化石墨烯的制备方法,包括:将高锰酸钾、石墨和浓硫酸先在0-5℃反应,再在30-40℃反应后,冷却,滴加过氧化氢;再将反应液在碱性条件下超声,即得。4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述制备方法包括:A.低温氧化制备预处理石墨:(1)将浓硫酸加入到反应容器中,然后缓慢加入高锰酸钾和石墨,水浴条件下持续搅拌5-10min;其中,高锰酸钾、石墨和浓硫酸的质量体积比为1-10g:1-10g:20-200mL;水浴温度为0-5℃;(2)将水浴温度提高至30-40℃,持续搅拌1-2h;然后将反应液加入到冰水中,逐滴加入过氧化氢至不再产生泡沫;再将反应液抽滤洗涤至中性,得石墨浆;B.将预处理石墨的碱溶液在细胞破碎机中超声:(3)将步骤(2)得到的石墨浆加入到NaOH溶液中,置于细胞破碎机中超声,得悬浮液;其中,超声功率为180-360W,超声时间为1-2h;C.离心得到可导电氧化石墨烯分散液:(4)将步骤(3)得到...

【专利技术属性】
技术研发人员:张建明张泽军黄莎莎段咏欣侯家瑞
申请(专利权)人:青岛科技大学
类型:发明
国别省市:山东,37

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