[发明专利]一种室温还原氧化石墨烯制备石墨烯及其复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯及其复合材料的制备方法，特别涉及一种室温还原氧化石墨烯制备石墨烯及其复合材料的方法。

背景技术

石墨烯是由单层sp2碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，是一种碳质新材料。石墨烯，具有极高的理论比表面积(2630m²/g)、室温下高速的电子迁移率(2×105cm²/V·s)、良好的光透射性(透明度为97.7％)、高强度(杨氏模量为1.0TPa)和导热性(室温下的导热率为5000W/m·K)。将其它纳米材料与石墨烯复合，以石墨烯作为支撑及分散材料制备的石墨烯复合材料可以使相应材料的性能进一步提高。因此石墨烯及其复合材料具有广泛的潜在应用前途。

目前石墨烯的制备方法主要有：微机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、有机合成法及氧化石墨烯还原法。目前为止，氧化石墨烯还原法是公认的廉价、可大规模制备石墨烯的方法。首先将石墨充分氧化为氧化石墨烯，然后通过外力(如超声振荡)将氧化石墨剥离为单层的氧化石墨烯。最后经还原得到石墨烯。其中氧化石墨烯的还原对石墨烯的结构和性能起着关键性作用。常用的还原剂有水合肼、金属氢化物、抗坏血酸等、氢碘酸等。其中金属氢化物由于其低毒特性成为了较为理想的还原体系。

现有石墨烯还原方法一般温度较高，且还原剂浓度较大,反应体系具有较强的酸碱性，条件较苛刻，不适于对温度、还原剂、pH值敏感的复合材料，特别是一些生物活性物质负载的石墨烯复合材料的制备。硼氢化钠虽然可以在室温下还原氧化石墨烯，但由于其还原能力的限制，常温下反应非常缓慢，在较高浓度下7天才可反应完全(王宽，石墨烯的室温简易制备及其电容性能研究，陕西师范大学硕士学位论文，2011)，以贵金属纳米颗粒、路易斯酸等作为催化剂，虽可加快还原反应，但却引进不易去除的杂质。因此提高金属氢化物在室温下对氧化石墨烯的还原效率，提高还原速度，降低还原剂浓度是本领域亟待解决的重要问题。

本发明以纳米银及四氧化三铁负载的石墨烯三元复合材料为催化剂，可实现室温、低还原剂浓度、近中性条件下的氧化石墨烯及其复合材料的催化还原。由于四氧化三铁的存在，反应结束后催化剂与反应产物可由磁场分离。该方法可用于制备多种敏感的石墨烯复合材料。

发明内容

为了解决氧化石墨烯及其复合材料还原过程中存在的上述一个或者多个问题，本发明提供了一种室温还原氧化石墨烯制备石墨烯及其复合材料的方法以及由该方法制得的石墨烯及其复合材料。

本发明第一方面提供了一种室温还原氧化石墨烯制备石墨烯的方法，它包括如下步骤：

S1：将氧化石墨烯分散到去离子水中，得氧化石墨烯分散液；

S2：将催化剂分散到去离子水中，得催化剂分散液；

S3：将所述氧化石墨烯分散液和所述催化剂分散液混合，得待还原液；

S4：将还原剂分散到所述待还原液中，在室温下发生还原反应，得粗产品；

S5：用永磁体将所述粗产品进行分离，然后将产物经过渗析处理，得石墨烯。

本发明第二方面提供了一种室温还原氧化石墨烯复合材料制备石墨烯复合材料的方法，它包括如下步骤：

S11：将氧化石墨烯复合材料分散到去离子水中，得氧化石墨烯复合材料分散液；

S21：将催化剂分散到去离子水中，得催化剂分散液；

S31：将所述氧化石墨烯复合材料分散液和所述催化剂分散液混合，得待还原液；

S41：将还原剂分散到所述待还原液中，在室温下发生还原反应，得粗产品；

S51：用永磁体将所述粗产品进行分离，然后将产物经过渗析处理，得石墨烯复合材料。

本发明在第三方面提供了本发明第一方面和第二方面所述的方法制备的石墨烯及其复合材料。

本发明具有以下优点：

1、本发明对反应温度没有特殊要求，室温下即可完成反应，可降低成本，节约能源。避免了负载于氧化石墨烯上的不耐温材料的破坏。

2、反应可以在极低的还原剂浓度下进行，可以降低还原剂用量，节约成本。避免了某些负载物被高浓度还原剂还原。

3、本发明采用的还原剂为金属硼氢化物，低毒、低污染，成本低廉。

4、本发明以纳米银及四氧化三铁负载的石墨烯三元复合材料或纳米银及四氧化三铁负载的氧化石墨烯三元复合材料为催化剂，反应结束后，催化剂与还原产物可由磁场分离，产品纯净，催化剂可重复使用。

5、本发明可适用于氧化石墨烯或氧化石墨烯复合材料的还原，可高效去除材料中的含氧基团，所得石墨烯或石墨烯复合材料碳原子与氧原子比大于7。