一种氧化石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术属于石墨烯制备技术，涉及对氧化石墨烯制备方法的改进。制备的步骤为：制备氧化石墨；配制氧化石墨水溶液；冰冻；解冻；干燥。本发明专利技术提供了一种冷膨胀剥离制备氧化石墨烯的方法，避免了环境污染，有利于环保，工艺简单，氧化石墨剥离完全，对石墨片层的破坏较小，便于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯制备技术，涉及对氧化石墨烯制备方法的改进。
技术介绍
石墨烯是SP2杂化碳原子排列成蜂窝状六角平面晶体，厚度仅为单层原子，是ー种新型碳纳米材料，是构成石墨、碳纳米管和富勒烯等的基本単元，具有新颖的物理化学特性。研究表明，石墨烯的比表面积可以高达2600m2/g，杨氏模量约为llOOGPa，断裂强度为125GPa，机械强度为1060GPa，热导率5000W/m -K0石墨烯还有优异的电子传输能力，室温下其电子迁移率高达15000cm2/V .S。石墨烯自从2004年被首次发现以来(Novoselov，K. S. etal Science, 2004, 306, 606),立即引起科学界的极大兴趣，成为近年来化学、材料科学和物理学研究最热门材料之一，在航空航天、新材料、电力、电子等领域具有良好的应用前景。现有技术公开了多种石墨烯的制备方法，包括氧化石墨还原法、微机械剥离法、化·学气相沉积法、SiC外延生长法和电化学法等，其中，微机械剥离法、化学气相沉积法、SiC外延生长法和电化学法均具有エ艺复杂、成本高等缺点。而具有成本低廉、可量化制备、方法简单等优点的氧化石墨还原法则成为研究热点。氧化石墨还原法通常首先将石墨氧化并剥离成氧化石墨烯，再还原得到石墨烯，其中，将石墨氧化并剥离得到氧化石墨烯是关键步骤，同吋，由于氧化石墨烯良好的水溶性，在制备复合材料的实际应用中具有更大的优势。目前，超声处理是普遍采用的剥离氧化石墨的方法，如CN201110065030.7《ー种化学剥离制备氧化石墨烯的方法》提及了氧化石墨在有机溶剂中以40-50kHz的频率超声0.5-1小时，以后还需要在3000-5000转/分钟的转速下离心处理20-90分钟得到氧化石墨烯片层；又如CN200910062869. 8《一种大规模制备单层氧化石墨烯的方法》指出超声分散剥离的时间为0. 5-10小时，还需要过滤未分散的沉淀；再如CN200910070735. 0《单片层石墨烯的制备方法》提到氧化石墨水溶液在150 功率下超声水浴处理3h，之后经过离心得到氧化石墨烯。总体而言，目前使用的超声方法都需要较长的处理时间；而且由于超声波的不均匀性导致剥离得到的氧化石墨烯尺寸不均匀；超声处理时容易导致氧化石墨溶液温度迅速升闻；闻功率的超声还容易破坏氧化石墨稀的片层结构；有机溶剂的使用容易造成环境的污染。因此开发ー种环保、氧化石墨烯制备エ艺尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种冷膨胀剥离制备氧化石墨烯的方法，以达到利于环保、エ艺简单、剥离完全、对石墨片层破坏较小、便于大规模生产的目的。本专利技术的技术方案是ー种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，制备的步骤为I、制备氧化石墨采用Hummer法、或Staudenmaier法对鳞片石墨或高定向热解石墨进行氧化插层得到氧化石墨；氧化石墨片层的层间距为0. 6nm I. Onm ；2、配制氧化石墨水溶液将干燥的氧化石墨粉溶于去离子水中，搅拌20min 60min配成氧化石墨水溶液,浓度为0. lmg/ml 10mg/ml ；3、冰冻将不少于IOml的氧化石墨水溶液置于不高于0°C的冷库中，放置不少于60min，使其完全结冰，利用水结冰时形成氢键导致体积变大的冷膨胀原理剥离氧化石墨；4、解冻将冰冻的氧化石墨水溶液取出后，在室温下解冻，得到氧化石墨烯水溶液；5、干燥将氧化石墨烯水溶液在60°C 80°C的真空烘箱中干燥8h 12h，得到氧化石墨烯。本专利技术的优点是提供了一种冷膨胀剥离制备氧化石墨烯的方法，避免了环境污染，有利于环保，エ艺简单，氧化石墨剥离完全，对石墨片层的破坏较小，便于大規模生产。附图说明·图I是实施例I中制备的氧化石墨的透射电镜(TEM)照片。图2是实施例I中制备的氧化石墨烯的透射电镜(TEM)照片。具体实施例方式下面对本专利技术做进ー步详细说明。ー种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，制备的步骤为I、制备氧化石墨采用Hummer法或Staudenmaier法对鳞片石墨或高定向热解石墨进行氧化插层得到氧化石墨；氧化石墨片层的层间距为0. 6nm I. Onm ；2、配制氧化石墨水溶液将干燥的氧化石墨粉溶于去离子水中，搅拌20min 60min配成氧化石墨水溶液,浓度为0. lmg/ml 10mg/ml ；3、冰冻将不少于IOml的氧化石墨水溶液置于不高于0°C的冷库中，放置不少于60min，使其完全结冰，利用水结冰时形成氢键导致体积变大的冷膨胀原理剥离氧化石墨；4、解冻将冰冻的氧化石墨水溶液取出后，在室温下解冻，得到氧化石墨烯水溶液；5、干燥将氧化石墨烯水溶液在60°C 80°C的真空烘箱中干燥8h 12h，得到氧化石墨烯。为了使氧化石墨剥离更加完全，将冰冻的氧化石墨水溶液解冻后，可以再次进行冰冻和解冻操作，重复操作的次数为I 5次,然后再进行干燥处理。本专利技术的工作原理是利用氧化石墨良好的水溶性，配制成均一分散的水溶液，在冷冻时，依靠水结冰形成氢键，而氢键作用力大于氧化石墨片层间的范德华作用力，利用水结冰时体积变大的特点将氧化石墨片层撑开，得到氧化石墨烯。制备过程简单，同时避免了有机溶剂的使用，对环境无污染。氢键的形成比较均匀，不会造成石墨片层的破坏。实施例I采用Hummers方法，在干燥的单ロ烧瓶中加入98%的浓硫酸100ml，用低温冷却液循环泵冷却至0°c,搅拌中依次加入4g天然鳞片石墨、2g NaNO3和12g KMnO4,控制反应液温度在10 15°C，搅拌反应2h ;然后将烧杯置于35°C左右的恒温水浴中，待反应液温度升至35°C左右时继续搅拌30min ;最后在搅拌中加入200ml去离子水，控制反应液温度在100°C以内，继续搅拌2h。用去离子水将反应液稀释至800 IOOOml后再加IOOml 5%的H2O2,趁热过滤，用5%的HCI和去离子水充分洗涤直至滤液中无硫酸根离子(用BaCl溶液检测)，将滤饼在80°C真空烘箱中干燥12h，得到干燥的氧化石墨片，氧化石墨的层间距为0. 6nm,其透射电镜照片如附图I所示。研磨得到氧化石墨粉备用。取0. Ig氧化石墨溶于50ml去离子水中(氧化石墨浓度为2mg/ml),磁力搅拌30min，得到分散均匀的氧化石墨水溶液。然后置于_10°C的冷库中2h，使其完全结冰，然后取出室温下使其溶化，在60°C真空烘箱中干燥12h得到氧化石墨烯，采用透射电镜进行分祈，见附图2。实施例2采用Staudenmaier方法在98%的浓硫酸和65%的浓硝酸混合液中加入天然鳞片石墨，其中浓硫酸和浓硝酸体积比为3:1，磁力搅拌下加入硝酸钠，常温下反应24h，得到氧化石墨，将反应物稀释，用5%的稀盐酸和去离子水洗涤至滤液中无S042_且为中性，干燥研磨后得到氧化石墨粉，氧化石墨层间距为l.Onm。·取0.2g氧化石墨溶于50ml去离子水中(氧化石墨浓度为4mg/ml)，磁力搅拌40min，得到分散均匀的氧化石墨水溶液。然后置于_5°C冷库中3h，使其完全结冰，之后常温下使其溶化，在80°C真空烘箱中干燥8h得到氧化石墨烯，其透射电镜照片与实施例中制备的氧化石墨烯类似。实施例3氧化石墨制备方法同实施例I。取0. 3g氧化石墨溶于50ml去离子水中(氧化石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，制备的步骤为：1.1、制备氧化石墨：采用Hummer法或Staudenmaier法对鳞片石墨或高定向热解石墨进行氧化插层得到氧化石墨；氧化石墨片层的层间距为0.6nm～1.0nm；1.2、配制氧化石墨水溶液：将干燥的氧化石墨粉溶于去离子水中，搅拌20min～60min配成氧化石墨水溶液，浓度为0.1mg/ml～10mg/ml；1.3、冰冻：将不少于10ml的氧化石墨水溶液置于不高于0℃的冷库中，放置不少于60min，使其完全结冰，利用水结冰时形成氢键导致体积变大的冷膨胀原理剥离氧化石墨；1.4、解冻：将冰冻的氧化石墨水溶液取出后，在室温下解冻，得到氧化石墨烯水溶液；1.5、干燥：将氧化石墨烯水溶液在60℃～80℃的真空烘箱中干燥8h～12h，得到氧化石墨烯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨程，宋洪松，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：