[发明专利]一种微流控制备氧化石墨烯的方法

说明书

本发明公布了一种微流控制备氧化石墨烯的方法，包括：第一预混液的制备：将石墨粉和第一插层剂混合，得到第一预混液；第二预混液的制备：将氧化剂和第二插层剂混合，得到第二预混液；微流混合：将第一预混液和第二预混液送入微混合器中混合，获得石墨、氧化剂和插层剂的混合悬浮液；微流反应：将混合悬浮液送入微通道反应器进行反应；分离：初步分离微通道反应器流出的反应混合物中的氧化石墨烯和含氧化剂的酸液，收集氧化石墨烯并淬灭反应；和纯化：对收集的氧化石墨烯进行洗涤，最终得到高纯度的氧化石墨烯水性分散液或氧化石墨烯滤饼。

技术领域

本发明涉及氧化石墨烯制备领域，具体涉及到利用微流控技术制备氧化石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯作为由碳六元环周期性重复排列形成的单原子层二维材料，自问世以来因其优异的电学、热学、力学性质备受关注，被认为是极具潜力的功能材料和结构材料。而发展石墨烯在能源、环境、生物医药、电子器件等重要领域应用的当务之急是解决石墨烯的高效制备问题，还原氧化石墨烯法被认为是最易放大实现规模化生产石墨烯的方法之一，通过在石墨片层上化学修饰大量含氧官能团，削弱层间范德华作用，剥离并还原恢复得到单原子层石墨烯。

制备氧化石墨烯(GO)历史悠久，1859年Bode混合石墨与氯酸钾并加入发烟硝酸制备了氧化石墨，1898年，Staudenmaier改进了Bode法，分批加入氯酸钾并且加入浓硫酸以提高酸浓度。但Bode法和Staudenmaier法都存在反应时间漫长，氯酸钾极易爆炸且产生有毒气体等问题，大大限制了它们的广泛应用，直到1958年，Hummers等利用浓硫酸代替发烟硝酸，加入NaNO₃和KMnO₄作为氧化剂，能够在2h获得与Staudenmaier法氧化程度相近的氧化石墨。但传统的Hummers法生产过程中产生NO等毒气，在本世纪初许多研究者对Hummers法做了大量改进，包括通过预氧化步骤或引入H₃PO₄来替代作用暂不明确的NaNO₃以减少毒气产生。但是，已报道的改进Hummers法仍存在许多问题：一、石墨氧化速率受活性物质在预插层石墨层间缓慢扩散制约，反应时耗长；二、反应过程放热量高，氧化剂Mn₂O₇在高温下有爆炸风险，反应安全隐患大；三、间歇式工艺步骤繁多，产品质量难以精确控制。

现有报道采用更强氧化剂等来快速制备氧化石墨烯，发明专利“CN104310385A一种快速绿色制备单层氧化石墨烯的方法”通过使用高铁酸钾作为氧化剂，在-10-80℃下反应 0.5-24h，虽然反应时间可以缩短至0.5h，但使用了更多的强氧化剂导致更严重的环境问题。发明专利“CN106882803A一种制备氧化石墨烯的方法及其装置”使用多级管道反应器，分别进行混料、氧化和还原，加强了反应控制并实现连续化生产，但仍采用常规管道，其中氧化步骤耗时仍达1-4h。

微通道反应器将反应器尺寸缩小到微米范围，缩短传质路径并提高比表面积，显著强化了反应过程传质及传热。单个微反应器持液量约几毫升，远低于传统釜式反应器，尤其适用于高温高压及强放热体系。采用微通道反应器代替传统反应釜能够有效解决现阶段Hummers法制备氧化石墨烯的问题。发明专利“CN102471068B纳米尺寸的石墨烯类材料的制造方法及其制造设备”初次引入微通道设备制备氧化石墨烯并在立式流床炉内剥离还原，实现了石墨烯的连续化生产，但没有实现氧化石墨烯的氧化程度可控制备，另外氧化石墨的产率也没有说明。除此之外，该专利的微反应器内插层反应及氧化反应同时进行，难以单独实现对氧化反应的有效调控。且淬灭步骤在微反应器中进行，淬灭步骤涉及淬灭剂(如H₂O₂)与未反应氧化剂的反应，会产生大量气体，在微通道内进行易引起阻碍反应进程及堵塞问题。因此，一种高效、安全、精细可控的微流控制备氧化石墨烯技术急待发展。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种微流控制备氧化石墨烯的方法，包括：