一种具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法，属于功能材料的制备技术领域。步骤如下：以天然鳞片石墨为原料，用改良hummers法制得氧化石墨，鳞片石墨∶高锰酸钾∶浓硝酸∶浓硫酸∶双氧水＝1∶1.5∶7.0∶10.7∶1.5。用5％的稀盐酸和去离子水洗至无SO42-。取氧化石墨在马弗炉中900℃-1000℃膨胀，取膨胀石墨以酒精为分散剂，超声处理1h，然后进行水热还原，膨胀石墨∶水合肼＝1∶10，100℃下水热反应24h，产物洗净干燥。本发明专利技术可制得具有高碳氧比的单层石墨烯，产率大，可应用于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种操作简单、可大量生产具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法， 属于功能材料的制备

技术介绍
单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二维晶体结构，其中碳原子是以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。该新型二维碳材料具有诸多优异的性能，自2004年被发现以来引起了研究人员的广泛关注。石墨烯是普遍存在于其他碳材料中，并可以看作是其他维度碳基材料的组成单元如三维的石墨可以看作是由石墨烯单片经过堆砌而形成；零维的富勒烯可看作由特定石墨烯形状团聚而成；而石墨烯卷曲后就可形成一维的碳纳米管结构。尽管石墨烯只有一个碳原子厚度，是已知材料中最薄的一种，然而却非常牢固坚硬，它比钻石还强硬，其强度比世界上最好的钢铁还高100倍。石墨烯也是目前已知导电性能最出色的材料，其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。此外，石墨烯还具有许多优异的性能如较高的杨氏模量(llOOGPa)、热导率 (5000w · m—1 · K-1)、较高的载流子迁移率(2X IO5Cm2 · ν-1 · s-1)、大的比表面积(理论计算值2630cm · g—1)、铁磁性等。被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、 功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。深入研究石墨烯的制备和应用技术，有利于我国炭材料产业结构调整，向高附加值，低能耗的新型纳米材料方向发展，更有利于我国新能源产业，航空航天材料的升级换代，石墨烯的基础和性能研究具有前瞻性和应用性，具有良好的前景。目前常用的制备方法包括微机械剥离法、外延生长法和化学法。其中化学法的生产成本相对低廉，且可实现大量生产，成为目前研究的热点之一。该方法的基本思路是，在一定条件下，在某些极性介质中剥离分散石墨并氧化为氧化石墨烯，再经化学还原处理得到石墨烯。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，采用天然鳞片石墨，用改良hummers法制得氧化石墨，并在马弗炉中进行高温膨胀，制得膨胀石墨，用一定浓度的水合胼进行深度还原，得到大量具有高碳氧比的单层石墨烯。，包括如下步骤(1)氧化石墨的制备在干燥的反应器中加入98%浓硫酸和98%浓硝酸，98% 浓硫酸和98%浓硝酸的体积比优选23 10，冷却至0°C，搅拌加入鳞片石墨，浓硝酸与石墨的质量比为7-8 1，搅拌均勻后，缓慢加入高锰酸钾，高锰酸钾与石墨的质量比为 1.5-2 1，控制反应温度不超过15°C，搅拌lOmin。再将反应器置于35°C的恒温水浴中，均勻搅拌反应2h。然后30min内加入去离子水，石墨与去离子水的质量比1 20-30，控制反应温度低于100°C。加入去离子水终止反应，同时加入质量浓度30% H2O2水溶液，石墨与双氧水 水溶液的质量比1 1.5-2，趁热过滤，并用5%的HCl和去离子水洗涤至无S042_(用 BaCl2溶液检测)，然后放在60°C的烘箱中干燥24h。所得产物即为氧化石墨。(2)高碳氧比的单层石墨烯的制备将步骤(1)的氧化石墨在马弗炉中 9000C -1000°C高温膨胀15-30s，制得膨胀石墨，然后加入无水乙醇分散，每Ig氧化石墨用 20ml无水乙醇，并超声处理lh。然后加入质量浓度50%的水合胼，膨胀石墨与水合胼水溶液的质量比为1 8-12，均勻搅拌后在100°C条件下水热24h。反应结束后，样品过滤分离洗涤，并在60°C的真空烘箱中烘干，即制得具有高碳氧比的单层石墨烯。本专利技术采用改良hummers法制得轻度氧化的氧化石墨，这时，SO42In N03_与石墨层的碳形成共价键，插层于石墨层中，破坏了其层间原有的范德华力，使其层间距增大。插有层间化合物的氧化石墨在遇到高温时，层间大量的含氧基团将分解，产生一种沿石墨层间C 轴方向的推力，这个驱动力远大于氧化石墨层间结合力，在这个驱动力的作用下，氧化石墨层间被剥离，形成具有单层结构的轻度氧化的氧化石墨。在过量水合胼的还原作用下，单层氧化石墨被还原为具有高碳氧比的单层石墨烯。所得石墨烯表面光滑，说明石墨烯表面无大的基团，大的含氧官能团被还原。石墨烯中几乎无含氧官能团，因此是一种具有高碳氧比的石墨烯。附图说明图1实施例1制备的具有高碳氧比的单层石墨烯和氧化石墨的X射线衍射(XRD) 图谱，其中ι为实施例ι制备的具有高碳氧比的单层石墨烯XRD图，2为天然石墨的XRD图。图2为实施例1制备的具有高碳氧比的单层石墨烯扫描电镜(SEM)照片。图3实实施例1制备的具有高碳氧比的单层石墨烯和氧化石墨的红外光谱其中a 为实施例1制备的具有高碳氧比的单层石墨烯红外光谱图(IR)，b为氧化石墨的红外光谱图(IR)。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术的实质性特点和显著优点，本专利技术决非仅局限于所陈述的实施例。1).称取20g鳞片石墨。2).将称取好的鳞片石墨溶解于由230ml 98%的浓硫酸和IOOml 98%的浓硝酸组成的混酸溶液中，并不断搅拌，浓硝酸和浓硫酸为市售的浓硝酸和浓硫酸。3).在不断搅拌条件下，加入高锰酸钾30g，控制反应温度不超过15°C，搅拌 IOmin0然后将烧杯置于35°C的恒温水浴中，均勻搅拌反应2h。然后缓慢加入500ml去离子水，控制反应温度低于ioo°c。4). 30min后，加入1. 2L去离子水终止反应。同时加入30ml 30% H2O2，趁热过滤， 并用5%的HCl和去离子水洗涤至无S042_(用BaCl2溶液检测)，然后放在60°C的烘箱中干燥24h。所得产物即为氧化石墨。5).取2g氧化石墨，在马弗炉中1000°C膨20s，制得膨胀石墨。6).在上述膨胀石墨中加入400ml无水乙醇分散，并超声处理lh。然后加入40ml 水合胼(质量浓度50% )，均勻搅拌后在100°C条件下水热24h。反应结束后，样品过滤分离洗涤，并在60°C的真空烘箱中烘干。即制得具有高碳氧比的单层石墨烯。由图1的X射线衍射图谱可以看到，曲线2表示天然鳞片石墨层状结构的的特征峰为沈.61°，强度极强，而曲线1表示的反应所得的石墨烯在26.61°的特征峰强度很弱， 几乎消失，说明石墨原有的层状结构被破坏，形成单一的层状结构，无衍射峰出现。由图2也可观察到，所得的石墨烯成单层的透明的片状结构。从图上看出石墨烯表面光滑，说明石墨烯表面无大的基团，大的含氧官能团被还原。由图3 谱图可以得出，曲线b为氧化石墨的顶谱图，氧化石墨中的含氧官能团在经过水合胼还原剂处理后，所制得的石墨烯的红外谱图(曲线a所示)几乎为一条直线， 由此可得出石墨烯中几乎无含氧官能团，得到具有高碳氧比的石墨烯。权利要求1.，其特征在于，包括如下步骤(1)氧化石墨的制备在干燥的反应器中加入98%浓硫酸和98%浓硝酸，冷却至0°C， 搅拌加入鳞片石墨，浓硝酸与石墨的质量比为7-8 1，搅拌均勻后，缓慢加入高锰酸钾，高锰酸钾与石墨的质量比为1.5-2 1，控制反应温度不超过15°C，搅拌lOmin，再将反应器置于35°C的恒温水浴中，均勻搅拌反应池；然后30min内加入去离子水，石墨与去离子水的质量比1 20-30，控制反应温度低于100°C，加入去离子水终止反应，同时加入质量浓度30% H2O2水溶液，石墨与双本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种具有高碳氧比的单层石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（１）氧化石墨的制备：在干燥的反应器中加入９８％浓硫酸和９８％浓硝酸，冷却至０℃，搅拌加入鳞片石墨，浓硝酸与石墨的质量比为７－８∶１，搅拌均匀后，缓慢加入高锰酸钾，高锰酸钾与石墨的质量比为１．５－２∶１，控制反应温度不超过１５℃，搅拌１０ｍｉｎ，再将反应器置于３５℃的恒温水浴中，均匀搅拌反应２ｈ；然后３０ｍｉｎ内加入去离子水，石墨与去离子水的质量比１∶２０－３０，控制反应温度低于１００℃，加入去离子水终止反应，同时加入质量浓度３０％Ｈ２Ｏ２水溶液，石墨与双氧水水溶液的质量比１∶１．５－２，趁热过滤，并用５％的ＨＣｌ和去离子水洗涤至无ＳＯ４２－，然后放在６０℃的烘箱中干燥２４ｈ，所得产物即为氧化石墨；（２）高碳氧比的单层石墨烯的制备：将步骤（１）的氧化石墨在马弗炉中９００℃－１０００℃高温膨胀１５－３０ｓ，制得膨胀石墨，然后加入无水乙醇分散，每１ｇ氧化石墨用２０ｍｌ无水乙醇，并超声处理１ｈ；然后加入质量浓度５０％的水合肼，膨胀石墨与水合肼水溶液的质量比为１∶８－１２，均匀搅拌后在１００℃条件下水热２４ｈ，反应结束后，样品过滤分离洗涤，并在６０℃的真空烘箱中烘干，即制得具有高碳氧比的单层石墨烯。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪浩，张永政，吴春卉，刘晶冰，朱满康，严辉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11