[发明专利]一种氧化石墨烯的还原方法

说明书

技术领域

本发明属于化学领域，具体涉及一种氧化石墨烯的还原方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)(VRGO)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm&sup2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

近年来，石墨烯在医学检测以及治疗上的应用也越来越多地被发现：有学者发现石墨烯可以诱导神经干细胞和脂肪干细胞的分化；有学者发现石墨烯-钛金属复合体对成骨分化有一定的诱导作用；石墨烯被人体吸收后进行高效的肿瘤光热治疗，也一直是学者们关注的热点之一；另外，由于表面肿瘤热疗中体内的石墨烯表现出光热趋向性，石墨烯作为药物载体也越来越多地被关注和研究。

综上，石墨烯具有种种优异的物理性质和越来越广的应用，其现有的主要制备方法现总结如下：

①微机械分离法(Micromechanical cleavage)：2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次使用该方法，成功地从高定向热裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯，获2010年诺贝尔物理学奖。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，2004年只能作为实验室小规模制备。

②化学还原法(Chemical methods)：化学还原法(或氧化-还原法)制备成本低廉且容易实现，成为了此前制备石墨烯的最佳方法，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨烯表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。

氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团，就能得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。

氧化-还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染，使用二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH₄)和液肼等还原剂，反应物或反应产物多为有毒有害物质，对环境影响巨大。另外制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。

③化学气相沉积法(CVD)：CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。CVD法首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破。

麻省理工学院的Kong等、韩国成均馆大学的Hong等和普渡大学的Chen等在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，如：碳氢化合物，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为80％时电导率即可达到1.1×106S/m，成为透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。