[发明专利]一种高品质水溶性石墨烯的绿色简便制备方法

说明书

一种高品质水溶性石墨烯的绿色简便制备方法包括以下步骤：a)将过硫酸盐加入到石墨烯和去离子水的混合液中，室温一直连续搅拌，用超纯N₂置换去除溶解在去离子水中的O₂和CO₂：b)金属离子活化过硫酸根阴离子(S₂O₃^2‑)使其产生硫酸根自由基不断氧化石墨烯的边缘：c)将步骤b中所获得的边缘氧化石墨烯依次进行超声处理、离心洗涤.得到稳定分散的石墨烯分散液.这种方法的优点是不使用强还原剂、强酸和强碱，也不需要极端苛刻的条件和专用设备，工艺流程简单、环境友好，适合大规模生产.制备的石墨烯结构完整，边缘带有含氧官能团，能在水中稳定分散且具有优异的导电导热以及机械性能。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料制备技术领域，具体涉及一种高品质水溶性石墨烯的绿色简便制备方法。

背景技术

近年来，石墨烯因其优异的导电导热以及机械性能一直吸引着科研界与产业界的极大兴趣。它在储能系统、纳米电子学和高性能复合材料等领域有着巨大的应用前景。石墨烯在溶液中的稳定分散，使得利用传统的低成本溶液处理技术制备宏观石墨烯基材料，如薄膜、纸张、涂层和功能复合材料成为可能，为将这种独特的二维碳纳米结构用于许多技术应用带来巨大的机遇。与石墨烯有机分散液相比，石墨烯水分散液因其无毒、易去除、成本低廉等特点而备受关注。然而，由于石墨烯的疏水性和强大的范德华吸引力，不添加分散剂而使石墨烯稳定分散在水中通常被认为是不可能的。

为了制备高品质水溶性石墨烯，人们不得不面对这样的困境：高品质的石墨烯需要具有石墨结构的完整性，而水溶性的石墨烯需要在石墨结构上引入大量有利于稳定分散的化学基团。因此，在不严重牺牲结构完整性的前提下，对石墨烯进行改性以保证其在水中的良好分散性和其他优异的本征性能已经成为一个重要的课题。目前，利用亲水基团(如磺酸基、羧基和酚羟基)对石墨烯表面进行选择性边缘改性是合成高品质水溶性石墨烯的主要方法。

利用在干冰、三氧化硫或草酸中球磨石墨来制备具有不同亲水基团的选择性边缘改性石墨烯是制备高品质水溶性石墨烯的一种简单、有效、环保的方法。然而，这种方法需要专门的设备(行星式球磨机)，限制了它的使用。改进的Hummers方法通过选择性边缘氧化为获得高品质水溶性石墨烯提供了一条有效途径，但需要使用大量的浓H₂SO₄和KMnO₄，在后处理过程中往往涉及环境污染，限制了其工业商业化。到目前为止，绿色、简便地制备出具有高结构完整性的高品质水溶性石墨烯仍然是一个具有挑战性的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高品质水溶性石墨烯的绿色简便制备方法。金属离子活化过硫酸根阴离子(S₂O₈^2-)产生的硫酸根自由基是一种具有较高氧化还原电位的自由基(E⁰＝2.6eV)，可以氧化活性较高的石墨烯边缘，引入含氧基团，而不会严重破坏石墨烯结构，从而获得具有水溶性的同时保持优异导电导热以及机械性能的石墨烯。这种方法的优点是不使用强还原剂、强酸和强碱，也不需要极端苛刻的条件和专用设备，工艺流程简单、环境友好，适合大规模生产。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高品质水溶性石墨烯的绿色简便制备方法，包括以下步骤：

a)将去离子水和石墨烯加入到圆底烧瓶中，室温下磁力搅拌一段时间后加入过硫酸盐，用超纯氮气置换去除溶解在去离子水中的O₂和CO₂；

b)将金属离子水溶液通过恒压漏斗连续滴入反应瓶中，活化过硫酸根阴离子(S₂O₈^2-)使其产生硫酸根自由基不断氧化石墨烯的边缘；