[发明专利]多级低温反应法制备氧化石墨烯、石墨烯及其制备方法

说明书

本发明为多级低温反应法制备氧化石墨烯、石墨烯及其制备方法。多级低温反应法制备氧化石墨烯，包括：(1)在‑5～20℃下，将鳞片石墨、高锰酸钾、浓硫酸搅拌反应，得物料1；(2)在‑5～20℃下，向物料1中加入添加剂1、添加剂2，搅拌反应，得物料2；(3)将物料2升温至10～35℃，搅拌反应，得物料3；(4)用冰水混合物稀释物料3，得稀释物料；(5)将稀释物料中酸洗后，水洗，得物料4；(6)将物料4超声剥离后，干燥，得所述的氧化石墨烯。本发明还公布了石墨烯及其制备方法。本发明所述的多级低温反应法制备氧化石墨烯、石墨烯及其制备方法，采用多级低温氧化反应制备氧化石墨烯，制得的氧化石墨烯可实现低温热还原。

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及多级低温反应法制备氧化石墨烯、石墨烯及其制备方法。

背景技术

2004年，曼彻斯特大学的科学家A.K.Geim和K.S.Novoselov首次用机械剥离法成功地从石墨中分离出石墨烯(也称为单层石墨片)，是由单原子层厚度的碳原子组成的二维晶格，其中碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内，它是目前发现的最薄的物质，由于独特的二维结构，使其具有优异的电学、力学、光学和热学等特殊性质。

石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，液相或气相直接剥离法，化学气相沉积法(CVD)，晶体外延生长法，氧化还原法和有机合成法等。其中，应用最多的是氧化还原法，这种方法是以石墨为原料通过微波或超声波对氧化石墨进行剥离得到氧化石墨烯溶液，然后对氧化石墨烯进行化学还原或热还原得到石墨烯，这种方法以廉价的石墨为原料，操作简单，重复率高。

氧化石墨烯作为制备石墨烯的原料，由于其结构与石墨烯结构相似，也表现出许多优良的物化性能，一直是研究的热点。在制备氧化石墨烯的方法中，常用的方法是改进Hmnmers法，该方法工艺流程简单，易实现石墨烯的大规模工业化生产。然而，该反应体系使用了大量强氧化剂作为原料，反应温度过高，易出现爆炸，难以实现工业化应用；浓硫酸、强氧化剂用量过多，后处理废液中残留大量的硫酸根、锰离子、氢离子等，造成废液处理难度大、成本高。因此，若要实现改进Hmnmers法安全、经济的工业化应用，实现批量化生产高品质、低成本的氧化石墨烯产品，就必须严格控制浓硫酸、强氧化剂用量及反应温度。

氧化还原法制备石墨烯，先采用强氧化剂将石墨氧化为氧化物，在石墨单层表面引入环氧基、羟基、羰基及羧基等含氧官能团，使石墨单层层间距扩大，再经过超声分散得到被剥离的石墨烯氧化物。然后，对氧化石墨烯进行还原，将石墨烯氧化物表面上的含氧官能团去除，常用的还原方法有高温还原法、化学还原法及二者的复合还原。化学还原法是用还原剂对氧化石墨烯进行还原，还原剂用量大，还原程度不够彻底，还需要加入稳定剂防止石墨烯的团聚。高温还原法是将石墨烯氧化物在有保护气体(氩气)和还原气体(氢气)的混合气氛中加热到1000℃左右，利用高温及氢气将石墨烯氧化物上的含氧官能团去除，从而制得石墨烯。高温还原法虽然还原效果较好，但能耗大，设备要求高，极大限制了它的使用范围。因此，制备可采用低温进行还原的氧化石墨烯原料，是实现热还原法工业化应用的有效方法。但是，低温下硫酸的氧化性不足以对石墨进行插层反应。

有鉴于此，本发明提出一种多级低温反应法制备氧化石墨烯、石墨烯及其制备方法，可实现氧化石墨烯低温热还原反应。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种多级低温反应法制备氧化石墨烯，该制备方法将鳞片石墨分段低温氧化，氧化剂分次添加进行催化氧化，实现了高品质、低成本氧化石墨烯产品的安全化、经济化、批量化生产。

为了实现上述目的，所采用的技术方案为：

多级低温反应法制备氧化石墨烯，包括以下步骤：

(1)在-5～20℃下，将鳞片石墨、高锰酸钾、浓硫酸混合，搅拌反应0.5～7h，得物料1；

(2)在-5～20℃下，向物料1中加入添加剂1、添加剂2，搅拌反应0.5～7h，得物料2；