石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术涉及石墨烯的制备方法，所述石墨烯可用来开发用于纳米电子学、纳米复合物、电池、超级电容器、氢贮藏以及生物应用的石墨烯纸或石墨烯薄膜、基于石墨烯的复合物以及制品。这一方法包括在碱的存在下，将经过纯化的、剥落的石墨氧化物进行还原。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及，所述石墨烯可用来开发用于纳米电子学、纳米复 合物、电池、超级电容器、氢贮藏以及生物应用的石墨烯纸或石墨烯薄膜、基于石墨烯的复 合物以及制品。
技术介绍
石墨烯本质上是单层石墨。如图9所示，也可认为石墨烯是展开后的碳纳米管。石墨烯片(graphene sheets)提供了许多非凡的性能，人们正在研究其在纳米电 子学、纳米复合物、电池、超级电容器、氢贮藏以及生物应用中的用途。使用石墨烯片的主要 限制在于目前无法对其进行大量生产。类似于碳纳米管和许多其他纳米材料，在合成和处 理大量石墨烯片的过程中，关键的挑战在于聚集作用。除非彼此完全分离，否则由于存在范 德华相互作用，具有高比表面积的石墨烯片趋向于形成不可逆的结块(agglomerates)，甚 至重新堆积形成石墨。在此前所有针对通过化学转化或热膨胀/还原来大规模生产石墨烯 的工作中，已经遇到这一问题。防止聚集作用对于石墨烯片特别重要，这是因为它们的多数独特性能仅与单独的 片有关。通过将其他分子或聚合物附着在所述石墨烯片上，可以降低聚集作用。然而，对多 数应用而言，不希望存在外来的稳定剂。需要新的策略来大量产生相对纯净的石墨烯片，并 且使其保持各自分离。由扁平的石墨烯片堆叠组成的石墨较为廉价，其可由天然来源和合成来源大量得 到。对于生成石墨烯片而言，这一普通的碳材料是最容易利用且最为廉价的来源。石墨的 机械切割起初引起了石墨烯片的发现，并且目前用于多数石墨烯的实验性研究。然而，这一 方法的生产能力低使其不适合大规模使用。由石墨进行化学转化似乎是以低成本大量生产 石墨烯片的更加有效的方式。这一基于溶液的途径包括将石墨进行化学氧化生成亲水的石 墨氧化物，所述石墨氧化物通过在水中进行超声处理，能够容易地剥落为单独的石墨烯氧 化物片。石墨烯氧化物在电学上是绝缘的，其能够通过化学还原(例如使用胼)转变回导 电的石墨烯。令人遗憾地是，此前的工作显示，除非用选定的聚合物保持稳定，否则通过这 一方法得到的经化学转化的石墨烯(CCG)片会由于其疏水性而以不可逆的结块进行沉淀。 所产生的石墨烯结块似乎不溶于水和有机溶剂，这使得进一步的处理变得困难。如碳纳米管所显示的那样，纳米材料在溶液中的分散对于推进许多技术应用是决 定性的。人们普遍认为由于其疏水性，石墨或石墨烯片在水中的直接分散难以实现。
技术实现思路
我们目前发现适当地通过化学手段对普通的天然石墨进行处理时，其能够容易 地分散在水中，从而产生稳定的石墨烯和石墨烯分散体，而不需要任何聚合物稳定剂或表 面活性剂稳定剂(surfactant stabilisers)。具有重要意义的是，相对纯的石墨烯分散体 的成功形成使得能够用常规的、低成本的溶液相处理技术来产生新的基于石墨烯的材料和直ο一方面，本专利技术提供了制备石墨烯或石墨烯分散体的方法，所述方法包括在碱的 存在下，将经过纯化的、剥落的石墨氧化物进行还原。第二方面，本专利技术提供了通过上述方法制备的石墨烯或石墨烯分散体。所述石墨烯分散体可为水性的(aqueous)石墨烯分散体。本专利技术所述的方法实现了石墨烯或石墨烯分散体的大规模制备，该方法不需要外 来的聚合物稳定剂或表面活性剂稳定剂，可用来开发用于纳米电子学、纳米复合物、电池、 超级电容器、氢贮藏以及生物应用的石墨烯纸或石墨烯薄膜、基于石墨烯的复合物以及制已经表明，所述石墨烯纸或石墨烯薄膜显示出热学性能、力学性能和电学性能的 出色组合，而初步的细胞毒性试验表明了其生物相容性，这使得该材料对于许多潜在的应 用具有吸引力。第三方面，本专利技术提供了包含石墨烯的纸、薄膜或复合物，所述石墨烯通过上述方 法进行制备。第四方面，本专利技术提供了完全或部分由石墨烯和/或上述纸、薄膜或复合物组成 的制品，所述石墨烯通过上述方法进行制备。第五方面，本专利技术提供了用于制备石墨烯纸或石墨烯薄膜的方法，所述方法包括 将通过上述方法制备的石墨烯分散体进行过滤。具体实施例方式本专利技术涉及用于制备石墨烯的方法。石墨烯本质上是单层的石墨或石墨纳米薄片(nanoplatelets)，通常为石墨烯片 的形式。基于对石墨具有出色的面内力学性能、结构性能、热学性能和电学性能的预测，石 墨纳米薄片作为在纳米复合物中代替碳纳米管的可行且廉价的填充剂，近来吸引了相当多 的注意力。同碳纳米管一样，石墨纳米薄片在聚合物纳米复合物应用中的充分利用将会不 可避免地取决于实现所述纳米薄片在所选聚合物基质中完全分散的能力。通过本专利技术所述方法制备的石墨烯还可为石墨烯分散体(包括水性的石墨烯分 散体)的形式，使得能够利用溶液相化学将所述石墨烯片进一步功能化。本专利技术所述的方法包括在碱的存在下，将经过纯化的、剥落的石墨氧化物进行还 原。由扁平的石墨烯片堆叠组成的石墨较为廉价，其可由天然来源和合成来源大量得 到。可使用任何适当的已知氧化剂将石墨化学氧化来合成石墨氧化物，所述氧化剂例如 H2SO4、HNO3 和 KClO4 的组合 ;H2S04 和 KMnO4 的组合；或 KClO4 和发烟 HNO3 的组合。石墨氧化物是亲水性的，因而也能以石墨氧化物分散体的形式制备。剥落的石墨氧化物或石墨烯氧化物可形成分散良好的水性分散体。对于所制备的 石墨烯氧化物(GO)片的表面电荷(ζ电位)的研究结果表明，当分散在水中时，这些石墨 烯氧化物片带有大量负电(参见图la)，显然这是由于已知存在于所述石墨烯氧化物片上 的羧酸基和酚羟基的电离作用。这一结果表明，稳定的石墨烯氧化物分散体的形成应归因于静电斥力，而非仅仅是此前所假定的石墨烯氧化物的亲水性。考虑到羧基无法被还原，因 此这些基团应保留在还原产物中，并通过FT-IR分析证实(参见图lb)。羧基的存在表明， 水溶液中石墨烯片的表面在还原后应该仍具有电荷。不希望受到任何理论的约束，认为使 得石墨烯氧化物分散体保持稳定的静电斥力机理也能形成分散良好的石墨烯分散体。在还 原后常常保留在石墨烯氧化物中的金属盐和酸(例如羧基)的去除有助于形成稳定的石墨 烯片。这些残留的电解质会中和所述石墨烯片上的电荷，使得所产生的分散体变得不稳定。 因此，有必要使用任何适当的已知技术在还原之前对所述石墨氧化物进行纯化，以除去残 留的盐和酸，所述技术例如透析、过滤、以及离心或水洗。通过使用任何适当的已知技术例 如超声处理或机械搅拌，使得所述经过纯化的石墨氧化物剥落为石墨烯氧化物。此外，所述 经过纯化的石墨氧化物和石墨烯氧化物均可为分散体的形式。所述的石墨烯氧化物或石墨 烯氧化物分散体可使用例如离心处理进一步进行纯化，以除去可能少量存在的任何未剥落 的石墨氧化物。此时，所述经过纯化的、剥落的石墨氧化物为石墨烯氧化物的形式，然后在碱的存 在下进行还原。所述还原优选化学还原，所述化学还原包括向所述石墨烯氧化物中加入还 原剂。适当的还原剂的实例包括无机还原剂，例如胼或NaBH4 ；以及有机还原剂，例如氢醌、 二甲基胼或N，N' - 二乙基羟胺。优选所述还原剂为胼。当所述还原剂为胼时，加入的量 可为每克石墨氧化物1. 0-7. Og 35%的胼，优选每克石墨氧化物1.5-5. Og 35%的胼，更优 选每克石墨氧化物1. 5-2. 5g 35%的胼。静电学上稳定的分散体的胶体稳定性取决于p本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备石墨烯或石墨烯分散体的方法，所述方法包括在碱的存在下，将经过纯化的、剥落的石墨氧化物进行还原。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈登乔治华莱士，李丹，
申请(专利权)人：卧龙岗大学，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]