CN101844761B - 激光照射法制备还原氧化石墨烯 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氧化石墨还原的方法，一种激光照射法制备还原氧化石墨烯。现有技术没有一种方法能够大数量的生产石墨烯，无法将这种具有重要价值的材料应用。本发明步骤如下：在石英容器中放入极性溶剂，取氧化石墨溶于极性溶剂中，制备浓度为0.01mg/ml-10mg/ml的极性氧化石墨溶液；调节极性氧化石墨溶液的pH值为9-10，超声振动1-2小时；将制得的氧化石墨溶液置于频率1Hz以上、波长157-353nm、能量密度40mJ/cm2以上的准分子激光下照射得还原氧化石墨烯。本发明的优点是：制备工艺简单，耗时少；制备过程对环境无污染；制备的石墨烯产品还原程度高，产品质量好；设备简单，适于工业化规模生产。
Description
技术领域
本发明属于氧化石墨还原的方法，具体地说是一种激光照射法制备还原氧化石墨烯。
背景技术
2004年英国曼彻斯特大学安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)制造出了石墨烯。他们将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，其中部分样品仅由一层碳原子构成——制得了石墨烯。石墨烯，是一种新型的二维碳纳米结构，由于其具有独特的纳米结构，在宏观上显示出极好的热学性能、机械性能和电学性能。石墨烯是已知材料中最薄的一种，非常牢固坚硬，是人类已知的强度最高的物质。强度比钻石坚硬，比世界上最好的钢铁还高100倍。
尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3％的可见光。
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，世界各国的科学家未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，保持了结构稳定。
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，室温下电子传递速度比已知导体都快，运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。使它在微电子领域具有巨大的应用潜力，能用来生产未来的超级计算机。
石墨烯由于其独特的纳米结构，显示出极好的热学性能、机械性能和电学性能。在许多技术领域有着重要的应用：如传感器、电池、超级电容和储氢材料等。
现有技术制备石墨烯的方法有两种：一是化学法，采用水合肼或硼氢化钠等强还原剂还原；另一种是加热法，在保护气体和氢气的条件下将氧化石墨加热到1100℃将其还原。现有技术化学法的缺点是：1、化学法使用的强还原剂水合肼有毒，难以从产品中除去，对环境造成破坏；2、还原氧化石墨耗用时间长，还原程度低。
加热法虽然能够得到导电性能良好的氧化石墨烯，但是这种方法的缺点是：1、产率低；2、温度要求高，能耗大；3、制得的氧化石墨烯产品质量不理想。所以使用加热法也无法进行大规模生产。现有技术没有一种方法能够大数量的生产石墨烯，以致无法将这种对科学技术的发展有重要促进作用的新材料，对现代电子技术、材料技术具有重要使用价值的材料应用于生产实践当中。
由于石墨烯的对现代科学发展的重要作用，以及现有技术无法进行大规模生产的状况，发明一种生产方法简单，耗时少，对环境无污染，氧化石墨烯产品还原程度高，易于实现工业化规模生产的氧化石墨还原方法是十分重要的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种方法简单，耗时少，对环境无污染，氧化石墨烯产品还原程度高，易于实现工业化规模生产的氧化石墨还原方法。
本发明的目的是这样来实现的：
激光照射法制备还原氧化石墨烯，步骤如下：
(1)在容器中放入极性溶剂，取氧化石墨溶于极性溶剂中，制备浓度为0.01mg/ml-10mg/ml的极性氧化石墨溶液；
(2)调节极性氧化石墨溶液的pH值为9-10，超声振动1-2小时；
(3)将步骤(2)制得的氧化石墨溶液置于频率1Hz以上、波长157-353nm、能量密度40mJ/cm2以上的准分子激光下照射得还原氧化石墨烯。
步骤(1)所述的极性溶剂为水、乙醇、乙二醇、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、氮甲基吡咯烷酮中的一种，容器为石英制容器。
本发明的要点是：
在石英容器中制备极性氧化石墨溶液；调节溶液的pH值为9-10，超声振动；使氧化石墨均匀分散在极性溶剂之中。然后将均匀分散的氧化石墨溶液置于脉冲激光的照射下，经一定时间照射得到还原氧化石墨烯。
上述还原氧化石墨烯的制备方法，所使用的溶剂为极性溶剂，如水，乙醇，乙二醇，二甲基甲酰胺，四氢呋喃，氮甲基吡咯烷酮等。
上述还原氧化石墨烯的制备方法，所使用脉冲激光的波长范围在157-353nm，频率范围在1Hz以上，能量密度40mJ/cm2以上。
本发明原理是基于脉冲激光产生的瞬间高能量，照射在氧化石墨的骨架上，使其骨架上的含氧基团被还原。氧化石墨在高能量脉冲激光的照射下，经过一定时间后，其内部的含氧基团基本被除去，生成二氧化碳等气体。由于仍有部分羧基存在于氧化石墨烯的边缘，未被还原，所以得到的还原氧化石墨烯仍可在碱性条件下稳定存在，为采用湿法大规模制备石墨烯提供了又一条可行之路。
本发明在世界上首次采用激光照射法制备还原氧化石墨烯，具有明显的新颖性和创造性；本发明方法工艺、设备简单，适于工业化规模生产，具有实用性。
本发明的优点是：
1、制备工艺简单，耗时少。
2、制备过程对环境无污染。
3、制备的石墨烯产品还原程度高，产品质量好。
4、设备简单，适于工业化规模生产。
附图说明
图1为激光照射前后氧化石墨和还原氧化石墨烯溶液：
左图为脉冲激光照射前氧化石墨溶液；右图为脉冲激光照射后氧化石墨溶液。
图2为石墨粉末、氧化石墨粉末、还原氧化石墨粉末XRD图：(a)石墨粉末，(b)氧化石墨粉末，(c)还原氧化石墨烯粉末。
图3为氧化石墨粉末、还原氧化石墨烯粉末Raman图。
具体实施方法
实施例1：
本实施例1方法是首先按照已有技术制备出氧化石墨粉末；然后称量10mg氧化石墨粉末、量取0.2ml质量分数50％的氢氧化钾溶液、并使用水作为溶剂配制成pH值为9的100ml氧化石墨溶液。将配制好了的氧化石墨溶液使用超声细胞粉碎机超声振荡1小时，使氧化石墨均匀分散于水中。然后再将经超声振荡的氧化石墨溶液置于脉冲激光的照射下，脉冲激光的参数为：频率10Hz，能量200mJ，波长248nm，照射时间为20分钟。经过如上所述的操作后即可得到稳定均匀的还原氧化石墨烯溶液。
实施例2：
本实施例2方法是首先使用文献中的方法制备出氧化石墨粉末。然后称量100mg氧化石墨粉末、量取0.2ml质量分数50％的氢氧化钾溶液、并使用乙醇作为溶剂配制成pH值为9的100ml氧化石墨溶液。再将配制好了的氧化石墨溶液使用超声细胞粉碎机超声振荡1小时，使氧化石墨均匀分散于水中。然后再将经超声振荡的氧化石墨溶液置于脉冲激光的照射下，脉冲激光的参数为：频率20Hz，能量100mJ，波长248nm，照射时间为10分钟。经过如上所述的操作后即可得到稳定均匀的还原氧化石墨烯溶液。
上述实施例仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改和变化，均在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种激光照射法制备还原氧化石墨烯，步骤如下：
(1)在容器中放入极性溶剂，取氧化石墨溶于极性溶剂中，制备浓度为0.01mg/mL-10mg/mL的极性氧化石墨溶液；所述的极性溶剂为水、乙醇、乙二醇、二甲基甲酰胺、四氢呋喃或氮甲基吡咯烷酮中的一种；
(2)调节极性氧化石墨溶液的pH值为9-10，超声振动1-2小时；
(3)将步骤(2)制得的氧化石墨溶液置于频率1Hz以上、波长157-353nm、能量密度40mJ/cm2以上的准分子激光下照射得还原氧化石墨烯。
2.根据权利要求1所述的激光照射法制备还原氧化石墨烯，其特征在于：步骤(1)所述的容器为石英容器。
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