[发明专利]一种利用结冷胶多糖还原氧化石墨烯制备石墨烯水分散液的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯的还原方法，特别涉及一种利用结冷胶多糖还原氧化石墨烯制备石墨烯水分散液的方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以SP²杂化轨道排列而成、呈完美蜂巢状晶格结构的单层石墨片物质，具有优异的电学性质，光学性质以及超强的机械性能，在纳米电子器件、传感器、太阳能电池以及复合材料等领域具有很大的潜在应用价值。

实现这些功能应用的前提条件是要寻求低成本和高产率制备石墨烯的方法。通常来说，石墨烯的制备方法包括物理法和化学法。物理法包括微机械剥离、化学气相沉积、外延生长以及切割碳纳米管等方法；化学法则包括液相插层剥离，逐级有机化学反应以及氧化石墨烯还原法。

微机械剥离法是由英国曼彻斯特大学Geim等人在2004年创立的。这是关于石墨烯的首次报道，并由此开创了石墨烯研究的新时代。虽然这种方法得到的石墨烯纯度比较高，但是产量和效率比较低，只适合研究，而不适合工业化生产。外延生长法能够得到大面积、高纯度的石墨烯，但是这个过程需要昂贵的单晶以及严格的生长条件，并且从基底上的转移过程也比较复杂。化学气相沉积也是一种较广泛的方法，但是得到的石墨烯电性质受基底材料的影响比较大。以上物理方法虽然能够得到高质量的石墨烯，但是生产效率普遍比较低，不适合大规模生产。因此，寻找一种廉价、简便并且能够大规模生产的方法是石墨烯能够大规模应用的关键。其中，化学方法当中的还原氧化石墨烯法能够契合这种廉价、易行并且能够大规模生产的要求。目前，常用的化学还原剂主要有水合肼、硼氢化钠以及对苯二酚等，虽然这些还原剂的还原效率比较高，但其毒性较高，对环境会造成污染。此外，用这些还原剂还原得到的石墨烯，在水体系中由于石墨烯片层之间强的π-π相互作用，石墨烯会发生聚集沉淀，给实际应用带来很大限制。尽管目前有研究者开发了一些方法以提高石墨烯的分散性，但这些方法大多存在工艺复杂、成本高等问题。

因此，开发简单高效、廉价绿色的还原剂及相应的还原方法来获得大量稳定分散的石墨烯，一直是本领域研究的技术难题。

结冷胶是一种阴离子杂多糖，主链是一个线性四糖重复单元，分别为β(1，3)-D-葡萄糖、α(1，4)-L-鼠李糖、β(1，4)-D-葡萄糖和β(1，4)-D-葡萄糖醛酸。结冷胶由于具有无毒、良好的生物相容性和生物可降解性，易于生物制备、成本较低等特性而广泛应用于食品、药品和化妆品领域(Morris E R,Nishinari K,Rinaudo M.Gelation of gellan-A review[J].Food Hydrocolloids,2012,28(2):373-411)。

然而，目前尚无采用结冷胶作为还原剂还原氧化石墨烯，制备高浓度长期稳定的石墨烯水分散液的报道。

发明内容

本发明的目的是要解决现有还原氧化石墨烯制备石墨烯方法中存在过程复杂、耗能高、毒性大以及得到的石墨烯分散性差等问题，从而提供一种新型、高效、经济、环保并适合大规模批量生产的新方法。

本发明在进行一系列探索和实验中令人意外地发现：利用结冷胶热降解过程暴露的还原端基与氧化石墨烯上的羧基、羟基以及环氧基团的相互作用，可实现对氧化石墨烯的还原。还原后的石墨烯上由于吸附了一定量的阴离子多糖结冷胶，还可实现石墨烯在水中的长期稳定分散。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种利用结冷胶还原氧化石墨烯制备石墨烯水分散液的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)制备结冷胶溶液：将结冷胶分散于去离子水中，搅拌加热溶解；

(2)还原氧化石墨烯：向步骤(1)中的结冷胶溶液中加入氧化石墨烯形成结冷胶与氧化石墨烯的混合液，用碱液将该混合液调至pH=10-12，然后加热；

(3)制备石墨烯水分散液：将步骤(2)中所得的反应液离心、洗涤、干燥以获得石墨烯，然后将该石墨烯分散于去离子水中以形成石墨烯水分散液。

在所述步骤(1)中，结冷胶的分子量为10-100WDa，结冷胶溶液的浓度为2.5-10mg/ml。

进一步地，氧化石墨烯与结冷胶的质量比为1:3-1:20。

在所述步骤(2)中，碱液为氨水、KOH溶液或NaOH溶液；加热的温度为85-95℃，加热的时间为6-12h。

在所述步骤(3)中，在进行干燥时采用真空干燥，真空度≤-0.1MPa，干燥的温度为40-50℃。

进一步地，石墨烯水分散液的浓度≤30mg/ml。

本发明与传统工艺技术相比，具有如下优点：