[发明专利]用于由结晶石墨制造氧化石墨烯的方法

说明书

本发明涉及用于由结晶石墨制造氧化石墨烯的方法、获得的具有至少45重量％的氧官能团的氧化石墨烯、以及氧化石墨烯的用途，所述方法包括对结晶石墨进行预处理以及将经预处理的结晶石墨氧化成氧化石墨烯。

本发明涉及用于由结晶(kish)石墨制造氧化石墨烯的方法。特别地，氧化石墨烯将例如作为涂层或作为冷却试剂应用于金属行业，包括钢、铝、不锈钢、铜、铁、铜合金、钛、钴、金属复合材料、镍行业。

结晶石墨是在炼钢过程中(特别是在高炉工艺或炼铁工艺期间)产生的副产物。实际上，结晶石墨通常在铁水冷却期间在其自由表面上产生。它来自在鱼雷车(torpedo car)中运输时以0.40℃/分钟至25℃/小时的冷却速率冷却、或者在钢水包转移期间以更高的冷却速率冷却的1300℃至1500℃的铁水。钢厂中每年产生大量的结晶石墨。

由于结晶石墨包含大量的碳(通常大于50重量％)，因此其为生产基于石墨烯的材料的良好候选物。通常，基于石墨烯的材料包括：石墨烯、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯或纳米石墨。

氧化石墨烯包括一层或数层的包含氧官能团的石墨烯片。由于其引人关注的特性例如高导热性和高导电性，因此氧化石墨烯具有如上所述的许多应用。此外，氧官能团的存在使其亲水，并因此其可以容易地分散在水中。

通常，氧化石墨烯基于Hummer法合成，包括以下步骤：

-产生结晶石墨、硝酸钠(NaNO₃)和硫酸(H₂SO₄)的混合物，

-添加高锰酸钠或高锰酸钾(KMnO₄)作为氧化剂以将石墨氧化成氧化石墨，以及

-将氧化石墨机械剥离成单层或数层氧化石墨烯。

专利KR101109961公开了制造石墨烯的方法，包括：

-预处理结晶石墨的步骤；

-通过用酸溶液氧化经预处理的结晶石墨来制造氧化石墨的步骤；

-通过剥离氧化石墨来制造氧化石墨烯的步骤；以及

-通过用还原剂还原氧化石墨烯来制造还原的氧化石墨烯的步骤。

在该韩国专利中，结晶石墨的预处理包括：冲洗过程、使用化学预处理组合物的纯化过程和机械分离过程(按尺寸分离)。在纯化过程之后，将经纯化的结晶石墨按尺寸分离，保留颗粒尺寸为40目或更小(即420μm或更小)的结晶石墨用以制造氧化石墨烯。

然而，结晶石墨的预处理包括使用化学组合物的2个步骤：冲洗步骤、和纯化步骤的过程。在KR101109961的实施例中，冲洗步骤用包含水、盐酸和硝酸的水溶液进行。然后，纯化过程用包含螯合剂、铁氧化物去除剂、表面活性剂、阴离子和非离子聚合物分散剂和蒸馏水的预处理组合物进行。在工业规模上，由于必须处理大量化学废物并且难以控制这样的组合物的稳定性，因此难以管理两种化学处理。

此外，预处理组合物需要长时间制备。因此生产率减慢。另外地，包括使用预处理组合物的纯化过程的结晶石墨预处理不是环境友好的。

最后，经预处理的结晶石墨的氧化用硝酸钠(NaNO₃)、硫酸(H₂SO₄)和高锰酸钾(KMnO₄)进行。然而，使用硝酸钠导致形成不是环境友好的有毒气体例如NO₂、N₂O₄和NH₃。

被称为“Preparation and Characterization of Graphene Oxide”，Journal ofnanomaterials，第2014卷，2014年1月1日，第1至6页的出版物公开了用以获得氧化石墨烯(GO)的改进的Hummer法。