[发明专利]一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法。

背景技术

2004年, Novoselov等第一次用机械剥离法(Mechanical cleavage)获得单层和2层-3层石墨烯片层后，石墨烯就以其独特的优异性能引起了世界诸多学者的关注。石墨烯具有优良的导电，导热性以及力学性能，同时还具有很高的比表面积，具有广阔的应用前景。目前制备石墨烯的方法主要有：机械剥离法，化学气象沉淀法，插层法和氧化还原法。其中氧化还原法以其较高的氧化程度，简单的操作逐渐成为制备石墨烯的主要方法。

由石墨制备氧化石墨是制备石墨烯的关键步骤。目前较为常见的制备氧化石墨的方法主要以下几种：Bordie法、Saudenmaier法和Hummers法。

Bordie 法采用浓硝酸体系，以高氯酸盐为氧化剂来制备氧化石墨，获得的氧化石墨的氧化程度较低，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氧化石墨。该法的优点是其氧化程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。但因采用高氯酸盐作氧化剂，危险性较大，且反应过程中会产生较多的有毒气体（Brodie B.C.Ueber das atomgewicht des graphites[J].Ann.Chem.Phys,1860,59:466~468）。Saudenmaier 采用浓硫酸体系，高氯酸盐和发烟硝酸为氧化剂，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。它的缺点是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56小时后所得到产物的中才不出现石墨峰，（Staudenmaier L.Ber.Dtsch.Chem.Ges,1898,31,1484.）。

Hummers 法采用浓硫酸+硝酸盐体系，以高锰酸钾为氧化剂，反应过程可分低温 4 ℃以下、中温 35℃左右和高温 100 ℃以下反应三个阶段。该法的优点是用高锰酸盐代替高氯酸盐，提高了实验的安全性，减少了有毒气体的产生（Hummers W.D,Offeman.J.R.E.Preparation of graphitic oxide[J].J.Am.Chem.Soc,1958,80(6):1339）。

氧化石墨还原制备石墨烯时，容易发生团聚，难以制得单层或少层石墨烯，解决这一问题的关键是提高氧化石墨的氧化程度，但是利用传统hummer法制备的氧化石墨氧化程度不高，氧化石墨中碳氧比比较高，难以制备单层石墨烯。另外，氧化石墨在各个领域的应用首要问题是分散性，要达到在溶剂中具有良好的分散性，最主要是提高氧化石墨的氧化程度，传统方法制备的氧化石墨在溶剂中分散性差，也限制了氧化石墨的应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对当前技术存在的氧化石墨氧化程度不高，在溶剂中分散性差的不足提供一种实验操作较简便，氧化程度高，分散性好的氧化石墨的制备方法，该方法采用延长低温反应时间，增加石墨预氧化过程，提高氧化石墨的氧化程度，后处理采用有机絮凝沉降大大缩短后处理时间，简便实验过程。

本发明技术方案为：

一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法，具体步骤如下：

a. 将浓度为98%的浓硫酸置于反应容器中，保持温度在-10℃-10℃，再向反应容器中加入天然鳞片石墨和硝酸钠并搅拌反应4-72小时；

物料配比为：每1克天然鳞片石墨加入10-50ml的浓硫酸；每1克天然鳞片石墨加入0.1-3

克的硝酸钠。所述天然鳞片石墨目数为100-500目；

b. 然后加入高锰酸钾并搅拌至黏稠，；每1克天然鳞片石墨加入1-10克的高锰酸钾；

c. 将步骤b的反应容器置于30-50℃的条件下加热反应1-8小时；

d. 加热反应结束后，向反应容器中加入去离子水，将反应容器置于70-90℃温度下加热反应0.5-5小时；物料配比为：每1克天然鳞片石墨对应加入20-80ml的去离子水；

e. 步骤d水浴加热反应结束后，持续搅拌，向反应容器中再次加入去离子水，最后加入质量百分含量为30%的双氧水至溶液变为金黄色；物料配比为：每1克天然鳞片石墨对应加入100-300ml的去离子水；每1克天然鳞片石墨对应加入5-50ml的双氧水；

f. 步骤e得到的金黄色悬浮液静置1-5分钟，将反应容器中上层金黄色悬浮液抽滤，去除反应容器下层未氧化的黑色石墨；