[发明专利]一种高浓度石墨烯碱性水分散液的制备方法

说明书

本发明提供一种高浓度石墨烯碱性水分散液的制备方法。将已经剥离好的石墨烯粉末与氯酸钠加入到浓硫酸中，在石墨烯表面修饰上微量羟基与环氧基，然后加入到强碱性溶液中，超声后得到高浓度石墨烯碱性水分散液。本发明所述方法在剥离好的石墨烯表面修饰上微量羟基与环氧基，可以极大改善石墨烯在碱性溶液中的分散性能，分散液浓度可达到20mg/mL，而且轻微的氧化对石墨烯结构破坏小，易于清除，对石墨烯的性能影响小，步骤简单，耗能低，易控制，对设备的要求较低，适于工业或实验室操作。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，尤其涉及一种高浓度石墨烯碱性水分散液的制备方法。

背景技术

石墨烯具有优异的光学、电学、热、力学性能，在材料学、加工、能源、生物和医学等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。目前石墨烯的各类制备技术都已经成熟，但是石墨烯片层极易通过层间强烈的范德瓦尔斯力作用产生团聚，且其疏水特性使其在大多数溶剂中溶解度较低，使得其无法充分发挥石墨烯二维材料的优异特性，并且限制了其在各个领域的大规模应用。

许多研究者为了提高石墨烯在水及有机溶剂中的分散性，通过延长超声时间、加入表面活性剂等方法加以改善，但是却带来另外的负面影响。例如，长时间的超声，会导致石墨烯的片层尺寸减小、增加能量损耗；残留的聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠等表面活性剂不易除去，分散的石墨烯不稳定且浓度较低，且影响其导电性能；氧化还原法在石墨烯片上引入了亲水基团，能在水中稳定分散，但这种方法使石墨烯结构产生缺陷，致使导电性下降，需要后续的还原过程恢复导电性，而还原过程中强烈的片层堆叠会引起不可逆的团聚，并且因还原剂的选择和用量的差异可能导致对氧化石墨烯还原得不彻底。石墨烯的分散性问题及各种分散方法带来的负面影响制约了石墨烯的产业化应用，急需发展一种可以有效分散石墨烯又对其结构破坏小的方法，实现绿色环保、高效率制备高浓度的石墨烯分散液。

发明内容

提出了一种高浓度石墨烯碱性水分散液的制备方法。氧化石墨烯(GO)分散在NaOH或其他强碱性溶液中(pH为11～13)，可以获得深黑色的稳定分散液，而GO的水分散液是亮棕色，这说明GO发生了部分还原，成为还原氧化石墨烯(RGO)。由于RGO与石墨烯在结构上接近，而RGO可以稳定分散在碱性溶液中，相似的，石墨烯也存在用碱性溶液进行分散的可能性。本发明在剥离好的石墨烯表面修饰上微量羟基与环氧基，可以极大改善石墨烯在碱性溶液中的分散性能，而且轻微的氧化对石墨烯结构破坏小，易于清除，对石墨烯的性能影响小。

本发明采用如下技术方案：

一种高浓度石墨烯碱性水分散液的制备方法，包括如下步骤：

(1)将已经剥离好的石墨烯粉末与氯酸钠加入到浓硫酸中，冰浴状态下搅拌，在石墨烯表面修饰上微量羟基与环氧基，反应后将石墨烯离心清洗；

(2)将经过修饰的石墨烯粉末加入到强碱性溶液中，超声后得到高浓度石墨烯碱性水分散液。

步骤(1)中的石墨烯是液相法、超临界法、机械法、球磨法等制备的含有极少缺陷的高质量石墨烯。

步骤(1)中的氯酸钠与石墨烯的质量比为1～6，优选为4。

步骤(1)中的在冰浴的状态下搅拌时间为2～24h，优选为6h。

步骤(1)中的微量指经过修饰的石墨烯含氧量为8％～18％。

步骤(2)中的强碱性溶液pH为9～12，优选为11。

步骤(2)中超声处理时间为0.5～4h，优选为1h。

本发明具有如下优势：

(1)本发明所述方法制备的高浓度石墨烯碱性水分散液浓度可达到20mg/mL。