[发明专利]一种羟基化石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明提出了种羟基化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：S1：将多孔洞结构的热还原型氧化石墨烯与碱性化合物固体粉末以1:10～1:30的质量比混合，进行研磨；S2：将研磨产物洗涤至中性，经干燥得到羟基化石墨烯。本申请实施例提供了一种能在石墨烯片层表面上嫁接羟基官能团的新技术，该种羟基化石墨烯的制备方法，制备方法简单、制备时间短、不含有毒试剂、环保、易分离、成本低廉、产率高，其制备出的羟基化石墨烯不含其它含氧官能团，克服了目前羟基化石墨烯的制备过程中羟基只存在于产物结构边缘的技术问题，羟基官能团能够均布在石墨烯上，并且制得石墨烯的内部结构保持完好。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种羟基化石墨烯及其制备方法以及该羟基化石墨烯的应用。

背景技术

2004年英国曼彻斯特大学的物理学家Andrew Geim和Konstantin Novoselov等采用微机械剥离法从石墨中分离出了石墨烯这种物质，这是一种由碳原子以SP²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格结构的二维碳纳米材料，凭借其独特的二维层状六元环原子晶体结构和良好的物理化学性质，被广泛应用于很多领域中。虽然石墨烯具有较多的优异性能，但由于完整结构的石墨烯由稳定键的苯六元环组成，化学稳定性高，表面呈惰性状态，与其他介质相互作用较弱，且石墨各片层间存在很强的π-π堆叠作用和较强的范德华力，导致片层堆叠在一起而难以分散于溶剂中(尤其是水相之中)，目前改善石墨烯水溶性的方法都存在能耗高、工艺复杂的问题，这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难，而通过一种在石墨烯片层上嫁接羟基这种亲水性官能团，以制备出羟基化石墨烯的方法可以有效的解决上述问题。

目前羟基化石墨烯的制备现状主要有以下：ArumugamManthiram等人通过水热法将石墨片和氢氧化钠溶液混合制得羟基化石墨烯(参考文献：ChenxiZu, ArumugamManthiram.HydroxylatedGraphene–Sulfur Nanocomposites for High-Rate Lithium-SulfurBatteries,Adv.Energy Mater.2013,3,1008-1012)；孟秋华、吴敏等人通过将浓硫酸与双氧水混合，再与石墨片球磨制得一种边缘部分羟基化的石墨烯(专利号CN 106800293 B)；张成如将氧化石墨烯粉体转移到充有惰性气体与氮气组成的混合气体的恒温舱中，控制反应温度及处理时间得到一种羟基化石墨烯(专利号CN 108217634 A)；专利CN 104058398 A中公布了一种改性石墨烯的制备方法：将天然鳞片石墨经氧化处理成氧化石墨烯后与氯化亚砜反应，得到表面含酰氯基团的石墨烯，再依次与1，3-丙二胺、三聚氯氰、二元醇化合物进行亲核取代反应，得到表面带有羟基的水溶性石墨烯。专利CN 110627052 A公布了一种水溶性石墨烯的制备方法：通过将氧化石墨烯分散到溶剂A中，加入氨类还原剂进行部分还原反应，过滤后将滤饼分散到溶剂B中，加入含有羟基的水溶性小分子化合物和原甲酸酯，在一定条件下反应，分离后得到羟基化石墨烯。上述制备方法大多采用传统化学方法，虽然成功制备出羟基化石墨烯，但均存在着能耗高，操作复杂、反应耗时长等很多问题，比如专利CN 110627052 A中制备出的水溶性石墨烯产率低、产物中还存在羰基等其他含氧官能团；专利CN 104058398 A中使用卤化试剂的方法使氧化石墨烯中的羧基变成酰氯，制备过程中有毒试剂用量多，会造成分离困难和污染严重的问题。除此之外，更重要的是上述制备方法制得的产物中羟基官能团均只能分布于石墨烯片层边缘上，从而导致改性过程中羟基的嫁接数量较少，进一步导致其水溶性有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种羟基化石墨烯的制备方法，其解决了现有的羟基化石墨烯制备方法操作复杂、反应耗时长、分离困难不环保的缺陷，以及解决了现有的制备方法制备的羟基化石墨烯含有杂质官能团，羟基分布在石墨烯片层边缘带来的水溶性不佳的问题。同时本申请还提供了该羟基化石墨烯的应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供的方案是：一种羟基化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：