一种氧化石墨烯的制备方法技术

本方案公开了一种氧化石墨烯的制备方法，该方法包括如下步骤：将石墨与浓硫酸混合得混合物A，向混合物A中加入膨胀剂后进行抽真空，在真空条件下反应得混合物B；向混合物B中加入氧化剂，升温并进行抽真空，在真空条件下反应得混合物C；对混合物C进行抽滤，洗涤得氧化石墨烯。该方法通过抽真空工艺来加快反应速率的同时降低了氧化剂的用量，同时制备出高剥离、大尺寸的氧化石墨烯。大尺寸的氧化石墨烯。大尺寸的氧化石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨烯的制备方法


[0001]本专利技术涉及二维材料制备
，特别涉及一种氧化石墨烯的制备方法。

技术介绍

[0002]现如今，氧化石墨烯已经在各领域都展现了优势，例如在生物医学、柔性导电薄膜、液晶光学材料、储能材料等多个领域得到了广泛的应用。增大氧化石墨烯的横向尺寸可以提高由氧化石墨烯片组装的宏观组装体结构的相关力学和液晶性能，因为其结点少、边缘接触少、取向高等优势特点，因此市场都希望制备大尺寸的氧化石墨烯。但到目前为止，大规模生产的氧化石墨烯的制备仍然采用传统的Hummers法，通过石墨与浓硫酸预混后加入大量的高锰酸钾，分别进行中温氧化、水化反应制备得到的。较长的氧化时间以及大量的氧化剂确保了剥离效果，但会引入较多的缺陷位点。经过水化和洗涤过程，氧化石墨烯在水分子和机械力的作用下，其横向尺寸大幅降低，严重影响后端产品的性能。此外，大量氧化剂的使用不仅会造成使用及后期处理成本的增加，还会导致环境污染的问题。因此急需开发一种低成本、高剥离、大尺寸氧化石墨烯的制备方法。
[0003]通常尺寸大于50μm的石墨烯被称为大尺寸石墨烯，而用Hummers法制备大尺寸氧化石墨烯的时候则需要大尺寸石墨为原材料。CN113860295“一种采用大粒径鳞片石墨制备氧化石墨烯”中采用45μm～325μm的大粒径石墨，首先先与浓硫酸和过氧化氢进行预插层后得到膨胀石墨，将膨胀石墨加入浓硫酸与磷酸混酸溶液进行保护反应，再经过氧化反应、水化阶段制备出大尺寸氧化石墨烯。但是磷酸的使用及排放造成了环境污染问题，并且提高了使用和净化成本。为了使制备方法相对绿色环保，CN107140632“一种机械强度高的大尺寸氧化石墨烯片层的制备方法”中采用大尺寸鳞片石墨为原料，通过加入过硫酸钾并进行超声辅助插层反应制备出大尺寸氧化石墨烯。该方法虽然氧化及剥离效率较高，但是涉及到超声辅助，难免在一定程度上削减氧化石墨烯的尺寸。为了引入一种加快反应速率的新方法，CN111925637“一种用于真空导入的快速固化不饱和聚酯树脂”中把复配促进剂E1与不饱和聚酯树脂在抽真空工艺条件下导入成型模具中进行固化反应，极大加快了体系间的固化反应速率、消除反应过程的气泡并缩短了脱模时间，节省了成本。

技术实现思路

[0004]本方案的一个目的在于提供氧化石墨烯的制备方法，该方法通过抽真空工艺来加快反应速率的同时降低了氧化剂的用量，同时制备出高剥离、大尺寸的氧化石墨烯。
[0005]为达到上述目的，本方案如下：
[0006]一种氧化石墨烯的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0007]将石墨与浓硫酸混合得混合物A，向混合物A中加入膨胀剂后进行抽真空，在真空条件下反应得混合物B；
[0008]向混合物B中加入氧化剂，升温并进行抽真空，在真空条件下反应得混合物C；
[0009]对混合物C进行抽滤，洗涤得氧化石墨烯。
[0010]优选的，将石墨与浓硫酸混合得混合物A时的反应温度为10℃～15℃。
[0011]优选的，向混合物A中加入膨胀剂后进行抽真空达到的真空度为
‑
0.07MPa～
‑
0.1MPa。
[0012]优选的，在真空条件下反应得混合物B的步骤中，反应时间为0.8～1.5h；反应温度为15℃～20℃。
[0013]优选的，该方法进一步包括：得混合物B后，将混合物B降温至0～5℃,再加入氧化剂。
[0014]优选的，在真空条件下反应得混合物C的步骤中，反应时间为1.5～2.2h。
[0015]优选的，所述石墨为鳞片石墨和膨胀石墨中的任一种，所述石墨中碳的质量百分含量为95～99.99wt.％，所述石墨的粒径为50目～200目。
[0016]优选的，所述膨胀剂为过硫酸盐，所述过硫酸盐包括过硫酸钠和过硫酸钾中的一种或两种，所述膨胀剂的用量为石墨用量的5.0～8.0倍。
[0017]优选的，所述氧化剂为高锰酸钾，所述氧化剂的用量为石墨用量的1.5～2.0倍。
[0018]本方案的有益效果如下：
[0019]1.传统的Hummers法所需氧化剂用量通常为石墨用量的4.0倍，与之相比，本方法所用氧化剂的用量为石墨用量的2.0倍，降低了50％。
[0020]2.传统的Hummers法中的一级氧化段时长需反应4小时，本方法通过抽真空工艺，使氧化时间缩减至2小时，节省了能耗与成本。
[0021]3.本方法制备的氧化石墨烯平均尺寸在90μm(D50)，具有均匀大尺寸的特点。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本方案的实施，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为实施例1制备的氧化石墨烯光学显微镜图；
[0024]图2为实施例2制备的氧化石墨烯光学显微镜图；
[0025]图3为实施例3制备的氧化石墨烯光学显微镜图；
[0026]图4为实施例4制备的氧化石墨烯光学显微镜图；
[0027]图5为实施例5制备的氧化石墨烯光学显微镜图；
[0028]图6为粒度分析仪检测结果图(参照D50粒径数据)。
具体实施方式
[0029]下面对本方案的实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本方案的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0030]本申请中的stage1状态为相邻的2个石墨烯片层中间都有插层剂的状态。
[0031]由于传统的Hummers法制备氧化石墨烯需要在氧化阶段加入大量的氧化剂，且氧化时间较长。导致产品过度的氧化和破碎，大幅度降低了氧化石墨烯的横向尺寸。小尺寸的氧化石墨烯不仅降低了成品收率，还会影响石墨烯的导电、导热性能。
[0032]本申请的专利技术人提出在预插层和氧化阶段分别采取抽真空处理的工艺，由于真空度的影响，只会让鳞片石墨的层间距更为紧密与贴合，但是过硫酸盐在浓酸体系下发生了化学反应，其机理为在插层阶段时，过硫酸盐在浓酸的体系下生成了硫酸氢根和氧气，通过抽真空可加速氧气的脱除，加快反应速率的同时生成的硫酸氢根有利于形成stage1状态的石墨插层化合物，生成的硫酸氢根少许插进了石墨间层，导致预插层后其体积相比原鳞片石墨膨胀了数倍。
[0033]本申请专利技术人采取在Hummers体系中，在预插层阶段和氧化阶段分别进行抽真空工艺，制备出低氧化、大尺寸的氧化石墨烯。
[0034]因为在预插层阶段时过硫酸盐在浓硫酸的体系中生成硫酸氢根和氧气，通过抽真空可加速氧气的脱除，加快反应速率的同时生成的硫酸氢根有利于形成stage1状态的石墨化插层物，反应如式1所示，
[0035]2S2O
82
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+2H2O
→
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：将石墨与浓硫酸混合得混合物A，向混合物A中加入膨胀剂后进行抽真空，在真空条件下反应得混合物B；向混合物B中加入氧化剂，升温并进行抽真空，在真空条件下反应得混合物C；对混合物C进行抽滤，洗涤得氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将石墨与浓硫酸混合得混合物A时的反应温度为10℃～15℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，向混合物A中加入膨胀剂后进行抽真空达到的真空度为
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0.07MPa～
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0.1MPa。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在真空条件下反应得混合物B的步骤中，反应时间为0.8～1.5h；反应温度为15℃～20℃。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪磊，钱程，孙旭冉，唐润理，瞿研，
申请(专利权)人：常州第六元素材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：