[发明专利]石墨烯氧化物的制备和石墨烯的制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯氧化物的方法和一种制备石墨烯的方法。

背景技术

自2004年安德烈·K·海姆(AndreK.Geim)首次制造出石墨烯以来，作为一种新型的二维纳米碳质材料，石墨烯在科学界引起了广泛的关注和深入的研究。石墨烯是具有单层碳原子厚度的、由碳原子呈二维蜂窝状晶格结构排列的一种新型碳质材料，被认为是所有其他维数碳质材料的基本组成单元，如可以包成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆砌成三维的石墨等。石墨烯是由碳原子以sp²杂化结合成的单原子碳层，结构非常稳定，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，石墨烯杨氏模量可达11000GPa，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和从不消失的电导率等性质，在航空航天、新材料、电力、电子等领域具有良好的应用前景。

现有技术公开了多种石墨烯的制备方法，包括氧化石墨还原法、微机械剥离法、化学气相沉积法、SiC外延生长法和电化学法等，其中，微机械剥离法、化学气相沉积法、SiC外延生长法和电化学法均具有工艺复杂、成本高等缺点，而具有成本低廉、可量化制备、方法简单等优点的氧化石墨还原法则成为研究热点。

一般制备石墨烯采用传统的化学剥离法，也即Hummers法。后来Hummers又对传统方法经过改良，形成改进的Hummers法，改进的Hummers法以鳞片石墨为原料，以高锰酸钾、浓硫酸、硝酸钠为氧化剂，将石墨氧化成氧化石墨，再通过超生清洗，去掉氧化物和其他杂质，得到单层的石墨烯氧化物。而通过各种还原方法，如加热还原、水热还原、激光还原、化学还原等使石墨烯氧化物还原就能得到石墨烯。

总体而言，石墨氧化还原法制石墨烯的思路是，首先将石墨氧化并剥离成石墨烯氧化物，再还原得到石墨烯，其中，将石墨氧化并剥离得到石墨烯氧化物是关键步骤。

在现有技术中，为了得到适于进行随后还原以得到石墨烯的石墨烯氧化物，通常将石墨氧化得到的产物混合物先进行超声、离心和热膨胀，以剥离得到石墨烯氧化物。然而，如此制备工艺所需时间较长，不利于工业化。

发明内容

鉴于上述现有技术问题，本发明的发明人在石墨烯的制备方面进行了广泛而又深入的研究，以期发现一种在氧化还原法制石墨烯的过程中大大缩短制备石墨烯氧化物的方法，该方法不仅能大大缩短由石墨的氧化产物制石墨烯氧化物的时间，而且所制备的石墨烯氧化物的纯度高，从而允许更快地制备高纯度的石墨烯。

本发明人发现，在将石墨氧化得到的石墨氧化物产物混合物进行石墨氧化物的剥离(以得到石墨烯氧化物)之前，先静置分离并然后进行分级过滤，如此操作可大大缩短石墨烯氧化物的制备时间，并且所得石墨烯氧化物的纯度高，从而允许更快地制备高纯度的石墨烯。

因此，本发明的一个目的是提供一种制备石墨烯氧化物的方法，该方法可大大缩短石墨烯氧化物的制备时间，并且所得石墨烯氧化物的纯度高，通常可达到99％，优选至少为99.5％，从而允许更快地制备高纯度的石墨烯。

本发明的另一目的是提供一种制备石墨烯的方法，该方法因石墨烯氧化物的制备过程大大缩短而缩短其制备过程，并且所制备石墨烯因石墨烯氧化物的纯度高而具有高纯度，通常可达到99％，优选至少为99.5％。

实现本发明上述目的的技术方案可以概括如下：

1.一种制备石墨烯氧化物的方法，包括如下步骤：

a)将石墨在浓酸和强氧化剂作用下进行氧化反应，得到包含石墨氧化物的反应混合物；

b)利用水将步骤a)得到的反应混合物稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.1-15g/L的水分散体，

c)将步骤b)所得水分散体任选在搅拌之后，进行静置分离，除去上层清液；

d)任选地，将步骤b)和c)重复1-3次；

e)将最后一次步骤c)中除去上层清液之后得到的残留物用水稀释成水分散体，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.1-15g/L的水分散体，将所得水分散体进行分级过滤：先将所得水分散体过滤通过30-200目的粗筛，然后将粗筛的筛上物在水的冲洗作用下或者将粗筛的筛上物用水稀释形成水分散体后，优选稀释成按不溶性固体物质计为0.1-15g/L、优选0.5-10g/L的水分散体后再过滤通过200-300目的细筛，其中粗筛的网孔大于细筛的网孔，之后任选地将该分级过滤依先过粗筛后过细筛重复1-3次；