[发明专利]氧化石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氧化石墨烯的方法。

背景技术

氧化石墨烯（GO），是氧化还原法制备石墨烯的重要中间体。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出单层石墨烯，证实它可以单独存在并分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，两人共同获得2010年诺贝尔物理学奖之后引爆了对石墨烯的研究。石墨烯的断裂强度是钢材200倍，同时具有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。石墨烯具有极大的潜力成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，计算机处理器的运行速度将会提升数百倍。石墨烯极高的透光率及致密的结构使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。还有其独特的表面结构有着很好的的抗菌效果在医疗及航天材料上的应用有极大的前景。作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，由于石墨烯的独特理化特性在尖端科技的材料应用上有十分重要的地位。

目前制备石墨烯常见的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法（CVD）。但是四种方法都存在明显的弊病，机械剥离法产能低，氧化还原法使用强酸强氧化剂进行氧化，污染较大但产量高，而SiC外延生长法和化学气相沉积法的通病是对设备的要求高、成本高且产能低。

现阶段氧化还原法的操作难度最低且成本低廉是大规模生产工业级石墨烯最好的方法。氧化还原法的具体方法为，以天然鳞片石墨或膨胀石墨做为原材料，经强酸强氧化剂氧化后（强酸及强氧化剂为浓硫酸、浓盐酸、高氯酸、高锰酸钾等）制备的氧化石墨烯这一阶段称为氧化阶段，再经还原剂还原（还原剂为水合肼、硼氢化钠等）制备得石墨烯。但传统的氧化阶段会产生大量的废酸，而且在分离阶段需要稀释放热进一步氧化使得浓酸也难以回收，并且废液中还有大量的重金属离子分离处理难度很大；浓酸条件下氧化，石墨被氧化的程度难以控制，很容易对石墨结构破坏导致制备的石墨烯质量不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种氧化程度可控，对石墨结构破坏小，并避免制备过程中强酸的使用的氧化石墨烯的制备方法。

为解决以上技术问题，本发明提供的一种氧化石墨烯的制备方法，是将石墨原料、助氧化剂加入碱溶液并置于密闭容器内，其中，每100ml碱溶液中加入1~50g石墨原料和1~30g助氧化剂，用氧气置换容器内气体并充入氧气至压力为1~20Mpa，在温度101℃～650℃进行反应，反应结束后取出反应产物固液分离，所得固相洗涤并干燥，即得氧化石墨烯固体产物，液相回收经处理后循环使用。

本发明的构思是石墨原料在碱溶液和一定压力的氧气，以及助氧化剂的作用下加热氧化制备氧化石墨烯，从而克服氧化还原法制备石墨烯的氧化阶段存在的缺陷，该方法氧化程度可控，对石墨结构破坏小，并且是一种环境友好型合成路线，产生的碱液经处理可以循环使用，成本低、方法简单，有效避免了强酸氧化工艺中产生废酸及分离困难等问题。

在以上反应条件下，容器内自生反应压力在10Mpa~60Mpa。固液分离方法包括抽滤、离心；所述的固体产物用5%~10%的稀盐酸洗涤；所述固体产物干燥方法为包括烘干、自然干燥、冷冻干燥。液相可回收，处理方法为：根据密封釜前碱的浓度对溶液碱的浓度调整后，作为碱溶液循环使用。

作为优选的技术方案，进行反应的时间为10~72小时，在此基础上，优选的方案是将得到的氧化石墨烯固体产物溶解于水中，超声分散，即得氧化石墨分散溶液。

作为另一种优选的技术方案，所述的碱溶液的溶质为氢氧化钾或氢氧化钠。在此基础上，所述的碱溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙三醇和丁醇中的一种。优选地，以上述溶质和溶剂配制的碱溶液的物质的量浓度为5~20mol/L。

作为另一种优选的技术方案，所述的助氧化剂为硝酸钾、亚硝酸钾、硝酸钠或亚硝酸钠中的一种。

作为另一种优选的技术方案，所述石墨原料为天然鳞片石墨或膨胀石墨。优选的石墨原料的颗粒粒度为30～500目。

作为另一种优选的技术方案，是在温度350℃～500℃进行反应。