[发明专利]一种插层法制备氧化石墨的方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化石墨制备技术领域，尤其是一种插层法制备氧化石墨的方法。

背景技术

从石墨制备氧化石墨被认为是大规模合成石墨烯的战略起点，氧化石墨可进一步用机械方法，如热解膨胀或溶剂中超声分散，制备准二维的氧化石墨烯悬浮液，然后通过表面改性增加其机械性能，并经还原反应形成石墨烯。目前较为常用的制备氧化石墨的方法主要有以下几种。

Brodie法：首先用发烟HNO₃处理天然微粉石墨，然后用KClO₃或KClO₄为插氧剂，反应体系的温度需先维持在0℃然后再升温至60～80℃，不断搅拌反应20～24h。随后将反应物投入大量水中，进行过滤，水洗至滤液接近中性后，干燥，得到氧化石墨。洗涤后获得的氧化石墨的石墨化程度较低，需进行多次氧化处理以提高氧化程度，反应时间相对较长，连续三次氧化处理后可获得化学组成为C₈O_2.13H_1.60的氧化石墨。该法的优点是其度可利用氧化时间进行控制，合成的氧化石墨结构比较规整。但因采用KClO₃或KClO₄作氧化剂，危险性较大，而且在反应过程中会产生ClO₂等有毒气体，这些气体在高浓度下容易发生爆炸。

Staudemaier法：首先采用浓H₂SO₄和发烟HNO₃混合体系对石墨粉进行处理，然后同样也是以KClO₃或KClO₄为插氧剂，反应体系的温度一直维持在0℃，氧化程度随反应时间的增加而增加，可通过控制反应时间来控制石墨的最终氧化程度。这类方法得到的GO碳层破坏严重，其端面也会引入大量的羧基等含氧官能团，而且充分反应的时间较长，氧化程度较低，需进行多次氧化处理，一般氧化56h后所得到产物的XRD图中才不会出现石墨峰。此外反应过程中也会产生较多的有毒气体，如Cl₂、ClO₂等。

Hummers法：首先将石墨粉和无水NaNO₃加入到置于冰浴内的浓H₂SO₄中，然后强力搅拌下加入KMnO₄，反应过程分低温(4℃以下)、中温(35℃左右)和高温(98℃以下)反应三个阶段。然后用体积浓度为30％的H₂O₂还原剩余的KMnO₄和MnO₂，使其变为无色可溶的MnSO₄，在双氧水的处理下，悬浮液变成亮黄色。过滤、洗涤3次，然后真空脱水得到氧化石墨。该方法虽然用KMnO₄代替了KClO₃和KClO₄，相对提高了实验的安全性，减少了有毒气体的产生，但是KMnO₄在NaNO₃加浓H₂SO₄的体系中温度控制不当还是很容易发生爆炸，而且反应过程中需控制的工艺因素较多。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种反应时间较短、插氧程度较高、合成工艺相对安全并且适于大规模生产的插层法制备氧化石墨的方法。

按照本发明提供的技术方案，所述插层法制备氧化石墨的方法包括如下步骤：

a、先取石墨粉置于反应容器中，再在反应容器中加入重量百分含量为98％的浓硫酸并搅拌，石墨粉与浓硫酸的加入量满足：每1克石墨粉对应加入40～50ml的浓硫酸；

b、在步骤a的反应容器中加入高锰酸钾并搅拌，高锰酸钾的加入量满足：每1克石墨粉对应加入3～4克的高锰酸钾；

c、将步骤b的反应容器置于30～40℃的水浴中加热反应1～3小时；

d、水浴加热反应后的反应容器置于冰浴中，进行冰浴降温反应，往反应容器中加入去离子水并搅拌，搅拌转速为600～800转/分钟，进行降温反应20～40分钟，去离子水的加入量满足：每1克石墨粉对应加入40～50ml的去离子水；

e、冰浴降温反应后，继续往反应容器中加入去离子水并搅拌，此时，去离子水加入量满足：每1克石墨粉对应加入80～100ml的去离子水；

f、持续搅拌，将过氧化氢逐滴加入到步骤e的应容器中直到没有气泡产生，此时，反应容器中的反应物会变成悬浮液；