[发明专利]一种还原氧化石墨烯的修复方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，特别是涉及一种还原氧化石墨烯的修复方法。

背景技术

自从2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim及Konstantin Novoselof首次成功剥离热解石墨并观测到石墨烯以来，学界内对于新型碳材料的研究热度就一直没有消退过。石墨烯的成功分离意味着理论对于二维晶体热力学不稳定的预言被破除，也就带来了许多新领域研究的可能。

完美的石墨烯具有理想的二维结构，它由六边形晶格组成，每个碳原子通过σ键在晶格平面方向上与其他的三个碳原子结合，未成σ键的电子则作为π电子，组成了垂直于晶格平面的π轨道体系。π电子可在平面上任意移动，这赋予了石墨烯极好的导电性，能够承受比铜高六个数量级的电流密度。同样，石墨烯也具有创纪录的导热性，纯净石墨烯的导热率高达2000～4000Wm^-1.K^-1，且具有极好的强度和极高的表面积。不仅如此，石墨烯的特殊结构也赋予其独特的能带结构，使其具有完美的隧穿效应和半整数的量子霍尔效应、以及它从不消失的电导率。这些独特的性能使其在材料和电子电路等方面有着极大的应用前景。也因此，对石墨烯的大量合成有极大的需求。

传统的石墨烯合成方法可分为两种，分别是物理方法和化学方法。物理方法和化学方法得到的石墨烯的性状也有所不同。物理法中有机械剥离法、电弧放电法、超声分散法等不同方案，得到的石墨烯片层比较完整，但是都存在产率过低，产品质量不稳定，需要特种设备和成本过高的问题。而化学方法可以分为自下而上的有机合成法、氧化还原法、溶剂热法和化学气相沉积法几种。其中，有机合成法对设备和原料要求严格，难以量产；溶剂热法无法稳定产品质量，平均质量较差；化学气相沉积法的成本过高，而且无法规模化生产。这当中的氧化还原法的设备简单，得到的石墨烯质量稳定，因此是最有可能作为石墨烯工业化生产的方案。然而经过氧化还原后的石墨烯存在两个主要的问题，其一是经过激烈的氧化还原过程后，石墨烯片层中的六元碳环结构有被破坏的部分，即形成了所谓的缺陷，从而影响和干扰了石墨烯材料本体的性能；其二是所得到的石墨烯材料没办法还原彻底，因此导致了石墨烯层上的残留氧，也对石墨烯材料的性能有很大的影响。因此，所得到的石墨烯材料一般被称之为“还原氧化石墨烯”，相较之下，经过化学气相沉积法获得的石墨烯材料的缺陷要更少，也不会残留氧。因此在一定应用范围内，这种石墨烯材料更符合我们的需要，更能被称之为“石墨烯”。

对于还原氧化石墨烯，其表面的缺陷可分为以下几种主要情况：1、Stone-Wales（SW）拓扑缺陷，即石墨烯层上两个六元环碳原子发生了重排，破坏了两个六元环形，成了一个五元环和一个七元环的结构。2、空位缺陷，即石墨烯层上的六元碳环里，出现了一个或一个以上的碳原子缺失，从而使石墨烯中形成了空位。这包括了单空位缺陷和双空位缺陷。3、吸附杂质原子或杂原子替代，即石墨烯上碳原子上吸附了杂质原子从而形成的缺陷，或者杂质原子直接进入石墨烯结构内替代碳原子。由于上述几种缺陷，导致最终经化学法制备得到的石墨烯的特性较物理法制备的石墨烯有一定区别。这种区别包括了比表面积的大小、整体结构中碳氧元素的比例及能带结构中有无能隙等等。

由于还原氧化石墨烯和气相化学沉积得到的石墨烯之间的特性区别较大，而这种特性主要是来自于石墨烯上的缺陷带来的影响，因此，对石墨烯上的缺陷设计一些用于表面重构的催化步骤，从而能使石墨烯上的缺陷经过重构消除，同时能对石墨烯上的残留氧进行脱除，从而使化学法制备的还原氧化石墨烯，转变接近为高质量的石墨烯，达到低成本制备高质量石墨烯材料的目的，是势在必行的研究。

然而，对石墨烯缺陷进行重构和修补的研究一方面是国内报道较少，存在大量的研究空白；另一方面，目前国际上主要的报道集中在对石墨烯以碳源分子进行气相化学沉积法的修补上，而用传统的有机合成方法进行石墨烯修补的报道极其少见。

发明内容

基于此，有必要提供一种还原氧化石墨烯的修复方法，以对还原氧化石墨烯上的缺陷进行修复及对还原氧化石墨烯进行脱氧。

一种还原氧化石墨烯的修复方法，包括如下步骤：

将还原氧化石墨烯分散于溶剂中，得到石墨烯分散液，向所述石墨烯分散液中加入第一路易斯酸及含甲基或亚甲基的化合物得到第一混合物，将所述第一混合物于300瓦～900瓦的微波环境下反应0.5小时～2小时，然后回流反应3小时～5小时，分离纯化并干燥，得到第一粗产物；