[发明专利]一种微氧化石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯材料技术领域，特别涉及一种微氧化石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型纳米材料，是单原子厚度的二维碳原子晶体，基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料。石墨烯具有优异的力学性能、奇特的电学性质和良好的热学性质。研究发现，其杨氏模量可达1100GPa，断裂强度达125GPa，热导率达5000W/(m·K)，理论比表面积高达2630m2/g，而且具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等性质，在导热复合材料、储能材料、场发射材料和电子传感器等领域具有良好的应用前景。

目前，石墨烯在材料中的应用存在两方面的技术瓶颈：一是石墨烯极易团聚，带来分散性方面的难题；二是石墨烯的惰性表面，使其与基体材料的结合强度不佳。现有产品中，氧化石墨烯表面含有丰富的基团，一方面削弱了石墨烯片层之间的相互作用力，赋予其优异的分散性能，可有效降低团聚倾向；另一方面提供了大量的化学反应活性点，易与其他材料复合形成良好的界面。但是，氧化石墨烯的晶格结构在氧化过程中已被破坏，丧失了石墨烯的许多优异特性。因此氧化后通常会采用还原手段来恢复部分性能。目前主要采用高温热还原和肼类还原剂。显然还原手段存在弊端：第一种方法反应温度高，对设备要求高；第二种方法中由于肼类还原剂为毒性试剂，使用过程危险，且反应时间长，不利于大规模的生产和应用。其次这种还原生成的石墨烯表面容易造成缺陷，形成五边形或七边形的晶格，再加上还原的不彻底性，电导率通常很低。

综上，考虑到石墨烯、氧化石墨烯的性能缺陷及其还原石墨烯的还原手段弊端，这就必须在平衡石墨烯表面活性基点密度和晶格破坏程度之间的关系的基础上，提供一种兼顾石墨烯的分散性、化学反应活性和本身的物理特性的产品，同时提供一条高效稳定、简单可控的技术路线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有产品和技术的不足而提供一种微氧化石墨烯及其制备方法。本发明采用晶格结构较完整的石墨烯作为原料，在其表面引入适量含氧官能团，制得的微氧化石墨烯兼具良好的分散性、化学反应活性和优异的物理性能。本发明的方法相对于传统的氧化石墨烯制备工艺，更加安全、环保、高效，易工业化生产。

为了解决以上技术问题，本发明的解决方案是：

       一种微氧化石墨烯，其表面含有少量的活性基团，氧元素质量分数为1～10%，堆积密度为0.01～0.1g/ml。   

       所述活性基团为羟基、羧基、羰基、醛基、环氧基等含氧官能团。

一种微氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将石墨烯、强碱、水按质量比1:3～15：20～70混合，超声0.5～2小时得均匀粘稠分散液；

步骤二：将步骤一中分散液置于微波炉中微波0.1～2小时；

步骤三：将微波后的产物反复水洗和抽滤至中性，除去碱，干燥；

步骤四：将步骤三所得产物与强氧化剂、水按质量比1:3～10：20～70复配，在100～200℃的反应釜中低温反应0.5～2小时，取出产物，反复水洗和抽滤，除去多余的氧化剂，干燥得微氧化石墨烯产品；或者将步骤三所得产物干燥后加入连有臭氧发生器的流化床中，控制气流速度0.35～0.45m3/h和臭氧浓度0.5～15mg/L，使石墨烯与臭氧充分接触和反应得微氧化石墨烯产品。

所述石墨烯为非氧化还原获得的结构完整的石墨烯。

所述石墨烯为单层或多层石墨烯。

具体为所述石墨烯包括机械剥离法、取向附生长法、化学气相沉积法、溶剂热法、液相或气相剥离法、微波法获得的石墨烯；进一步，优选的所述石墨烯为机械剥离法石墨烯，所述石墨烯晶体结构完整，含有的晶格缺陷较少。

原则上来说，所述石墨烯为表面惰性的石墨烯，不含官能团的。换句话理解所述石墨烯为非功能化石墨烯。而在本专利中所述的功能化石墨烯包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、含有异质原子/分子的石墨烯。

本发明与现有技术有明显不同之处在于，本发明选择的原料是晶格缺陷较少的石墨烯，微氧化后赋予一定的反应活性；目前获得与本产品相似性能的产品主要是从晶格破坏严重的氧化石墨烯再还原后才能够获得含氧量较少的还原氧化石墨烯。相比之下，本发明工艺简单的优势明显。

所述强碱为氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钡、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾。

所述氧化剂为高锰酸钾、重铬酸钾、臭氧、氯酸盐、亚氯酸盐、硝酸盐、高铁酸盐。