一种Janus氧化石墨烯的制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种Janus氧化石墨烯的制备方法和应用，制备步骤如下：浓硫酸与浓磷酸在冰水浴下混合均匀，将高锰酸钾与石墨分别加入至混合酸液中，恒温反应；冷却分离、洗涤干燥得氧化石墨烯粉末；分散在分散介质中，恒温搅拌，调节pH；加入有机硅修饰剂，恒温搅拌，反应结束后分离干燥；将表面改性氧化石墨烯置于碱水中，在机械力作用下恒温反应，分离洗涤，得纯化的Janus氧化石墨烯。本发明专利技术以石墨为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯，可实现大批量制备。采用液相机械剥离法得到的Janus氧化石墨烯具有双亲性，可在去离子水中稳定分散30天以上，Zeta电位高达‑36.9 mV，展现了优异的分散稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种Janus氧化石墨烯的制备方法和应用
本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及一种Janus氧化石墨烯的制备方法和应用。
技术介绍
Janus材料由于具有不对称的物理或化学性质（如亲水/疏水、极性/非极性、正电荷/负电荷等），具有常规材料所不具备的表界面特性，在Pickering乳液制备、界面组装、光学探针和催化等领域展示了优异的性能和诱人的应用前景。目前，Janus材料的制备方法主要包括界面保护法、相分离法、微加工法、自组装法和模板去除法等。石墨烯及其衍生物具有强机械性能、优异的热学和化学稳定性、柔性透明等优异性质，在电子器件、聚合物、微乳液等领域得到了广泛研究。通过调节材料结构是获得所需电子和机械性能的重要手段，具有各向异性的Janus石墨烯和氧化石墨烯的制备引起了科技工作者的广泛关注。在实际应用过程中，以经济、便捷和环保的方式宏量制备Janus结构材料仍是目前面临的主要技术挑战。大多数研究仍集中在对界面保护法、模板去除法等现有技术的改进，如Jeon等（I.Jeon,etal.Adv.Mater.2019,31,1900438）在液液界面对氧化石墨烯进行动态改性，氧化石墨烯两侧接枝不同化学功能基团，从而获得Janus氧化石墨烯，这一方法为连续制备Janus氧化石墨烯提供了可能。但是，此方法仍需以高质量的单层或少层氧化石墨烯为原料，在液液界面反应才能获得Janus石墨烯，仍存在低效率和高成本的问题。因此，开发一种低成本、高效率、环境友好的Janus氧化石墨烯宏量制备方法仍然是一个极具挑战的研究工作，同时也是其获得应用的关键所在。
技术实现思路
要解决的技术问题：本专利技术的目的在于提供了一种Janus氧化石墨烯的制备方法和应用，利用改进的Hummes方法制备多层氧化石墨烯，然后对其进行功能化得到表面改性氧化石墨烯。利用碱液结合机械应力将表面改性氧化石墨烯层间范德华力打开以裸漏出新鲜表面，赋予氧化石墨烯一面含有大量有机官能团的疏水表面和另一面含有羟基等基团的亲水性表面，从而获得Janus氧化石墨烯。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种Janus氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：（1）将浓硫酸与浓磷酸按体积比为8:1~9:1在冰水浴下混合均匀，将高锰酸钾与石墨按质量比为1:0.2~0.5分别缓慢加入至混合酸液中，35~60℃下恒温反应6~12h；（2）冷却、分离、洗涤至pH=7，120℃下干燥2h即得氧化石墨烯粉末；（3）将获得的氧化石墨烯粉末以0.05~0.5%的浓度分散在100mL分散介质中，恒温搅拌0.5~3h，以pH调节剂调节pH为9~10；（4）加入有机硅修饰剂，恒温搅拌0.5~3h，反应结束后分离，在120℃下干燥2h；（5）将表面改性氧化石墨烯置于碱水中，然后在机械力作用下恒温反应3~8h，分离、洗涤，得到纯化的Janus氧化石墨烯。优选的，所述步骤（3）中的水解介质为水、C1~C2的醇中的一种或两种以上。优选的，所述步骤（3）中pH调节剂为氨水。优选的，所述步骤（4）中有机硅修饰剂为一种或多种有机硅化合物，所述有机硅化合物为R’nSi（OR”）4-n或能与羟基发生反应的有机硅化合物，其中R’为甲基、乙基、乙烯基及其他含活性官能团的烷基中的一种或两种以上，R”包括但不限于C1-C16的碳链化合物；所述能与羟基发生反应的有机硅化合物为氯硅烷或/和硅氮烷。优选的，氧化石墨烯与有机硅修饰剂的质量比为1:3~20。优选的，所述步骤（5）中机械力为超声、机械搅拌、乳化剪切中的一种或两种以上。优选的，所述步骤（5）中碱水中所用化学剂为NaOH、NaHCO3或KOH中的一种或两种以上。采用上述方法所制备得到的Janus氧化石墨烯。进一步的，Janus氧化石墨烯一面修饰有有机硅修饰剂，另一面为裸漏的羟基与不饱和残键，同时具有亲水和疏水表面，可在水中稳定分散10天以上，分散液Zeta电位为-36.9mV。上述Janus氧化石墨烯的应用，所述Janus氧化石墨烯可在油水界面形成稳定的界面膜，用于乳化油水微乳液和高效洗油；同时，可以转移至硅片上，用于构筑忆阻器介电层。有益效果：1.本专利技术直接以石墨为原料，采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯，可大批量实现氧化石墨烯的制备，且酸液可重复利用，Janus氧化石墨烯采用液相机械剥离方法得到。2.制备过程无需任何模板、界面保护等传统手段，反应介质为C1~C2醇和水，无有害性和易燃易爆等有机试剂溶剂的使用，过程环保。同时，制备过程采用液相方法，适合于规模化制备，且成本低。3.本专利技术的Janus氧化石墨烯具有双亲性，可以在去离子水中稳定分散30天以上，Zeta电位高达-36.9mV，展现了优异的分散稳定性。4.本专利技术的Janus氧化石墨烯纳米片用作固体颗粒乳化剂，可在油水界面形成稳定的界面膜，用于制备油水微乳液，也可用作三次采油中的高效驱油材料。同时，在油水界面形成的Janus界面膜可以转移至硅片上，用于构筑忆阻器介电层。附图说明图1为实施例1-6Janus氧化石墨烯的制备流程示意图。图2为实施例2所使用原材料石墨（a）和所制备氧化石墨烯、改性氧化石墨烯和Janus氧化石墨烯的X射线衍射（XRD）图。图3为实施例3所制备Janus氧化石墨烯粉末烯粉末的扫描电镜照片和透射电子显微镜照片。图4为实施例4所制备氧化石墨烯（a）、改性氧化石墨烯（b）与Janus氧化石墨烯亲水面（c）和疏水面（d）的水接触角和实施例5所制备Janus氧化石墨烯亲水面（e）和疏水面（f）的水接触角。图5为实施例4所制备Janus氧化石墨烯在水与三氯甲烷两相间的分散-转移特性。图6为实施例6所制备Janus氧化石墨烯作为乳化剂稳定的Pickering乳液照片与光学显微镜图片。图7为实施例6所制备Janus氧化石墨烯对岩心切片表面吸附原油的剥离效果（a）及去离子水的对比实验（b）。图8为实施例7所制备Janus氧化石墨转移至p型掺杂硅片表面示意图，及作为忆阻器介电层展现的阻变行为。具体实施方式实施例1一种Janus氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：（1）将180mL浓硫酸与20mL浓磷酸在冰水浴下混合均匀，将40g高锰酸钾分多次缓慢加入至混合酸液中，之后将5g石墨加入混合体系中，升温至35℃恒温搅拌30min，升温至50℃，恒温搅拌12h；（2）冷却、过滤，滤液回收利用，滤饼加入至2L冰水中，并加入5mL双氧水消耗过量的高锰酸钾，将得到的氧化石墨烯分散液过滤、洗涤至pH=7，滤饼在120℃下干燥2h即可得到氧化石墨烯粉末；（3）通过超声将获得的氧化石墨烯粉末以0.2％的浓度分散在100mL水中，然后在60℃搅拌30min，将0.1mLNH3·H2O滴入氧化石墨烯分散液中，将分散液pH值调节至9~本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Janus氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，过程包括以下步骤：/n（1）将浓硫酸与浓磷酸按体积比为8:1~9:1在冰水浴下混合均匀，将高锰酸钾与石墨按质量比为1:0.2~0.5分别缓慢加入至混合酸液中，35~60℃下恒温反应6~12 h；/n（2）冷却、分离、洗涤至pH=7，120℃下干燥2 h即得氧化石墨烯粉末；/n（3）将获得的氧化石墨烯粉末以0.05~0.5%的浓度分散在100 mL分散介质中，恒温搅拌0.5~3h，以pH调节剂调节pH为9~10；/n（4）加入有机硅修饰剂，恒温搅拌0.5~3 h，反应结束后分离，在120℃下干燥2 h；/n（5）将表面改性氧化石墨烯置于碱水中，然后在机械力作用下恒温反应3~8 h，分离、洗涤，得到纯化的Janus氧化石墨烯。/n

【技术特征摘要】
1.一种Janus氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，过程包括以下步骤：
（1）将浓硫酸与浓磷酸按体积比为8:1~9:1在冰水浴下混合均匀，将高锰酸钾与石墨按质量比为1:0.2~0.5分别缓慢加入至混合酸液中，35~60℃下恒温反应6~12h；
（2）冷却、分离、洗涤至pH=7，120℃下干燥2h即得氧化石墨烯粉末；
（3）将获得的氧化石墨烯粉末以0.05~0.5%的浓度分散在100mL分散介质中，恒温搅拌0.5~3h，以pH调节剂调节pH为9~10；
（4）加入有机硅修饰剂，恒温搅拌0.5~3h，反应结束后分离，在120℃下干燥2h；
（5）将表面改性氧化石墨烯置于碱水中，然后在机械力作用下恒温反应3~8h，分离、洗涤，得到纯化的Janus氧化石墨烯。


2.根据权利要求1所述的一种Janus氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的水解介质为水、C1~C2的醇中的一种或两种以上。


3.根据权利要求1所述的一种Janus氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中pH调节剂为氨水。


4.根据权利要求1所述的一种Janus氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中有机硅修饰剂为一种或多种有机硅化合物，所述有机硅化合物为R’nSi（OR”）4-n或能与羟基发生反应的有机硅化合物，其中R’为甲基、乙基...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘培松，惠飞，李小红，张治军，
申请(专利权)人：苏州大学，河南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32