CN102030325B - 一种生物相容性石墨烯的制备方法 - Google Patents

一种生物相容性石墨烯的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种生物相容性石墨烯的制备方法，将制备的氧化石墨超声分散得到氧化石墨烯溶液，将氧化石墨烯溶液与含巯基类的氨基酸及其衍生物混合均匀后，置于油浴中反应一定时间，得到石墨烯产物，将该产物真空抽滤后得到稳定分散的单层石墨烯。本发明工艺条件简单，无毒环保，制备的石墨烯能稳定分散于水溶液中，表现出很好的生物相容性，其作为超级电容器电极材料性能优越。

Description

一种生物相容性石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种生物相容性石墨烯的制备方法，特别涉及通过生物还原剂还原氧化石墨得到能在水中稳定分散的石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是由碳原子在二维空间上紧密堆积成六边形晶格结构的一种新型材料，是组成1维碳纳米管0维富勒烯和石墨的基本单元。自从Novoselov等采用机械剥离热解石墨获得独立存在的石墨烯以来，由于其优异的机械性能和物理性能，迅速成为材料科学研究的热点，目前石墨烯的研究已经在基础研究广泛展开，有进一步实现应用的可能。大规模制备石墨烯的方法有化学剥离法[D.Li et al.，Nat Nanotech.，2008，3，101]，热剥离法[H.C.Schniepp et al.，J Phys Chem B.，2006，110，8535]，CVD法[中国专利200810113597]、外延生长法[中国专利200780005630]等。其中化学剥离法有产量高、条件容易控制等优点，是目前用得最广泛的一种方法。化学剥离法的关键在于寻找合适的还原剂，目前所用的还原剂主要有水合肼、对苯二胺等，然而这些无机还原剂虽然能有效的将氧化石墨还原，但是其巨大的毒性大大限制了推广和应用，同时获得的石墨烯也不能在水等溶剂中稳定分散。为了寻找更加有效又绿色的还原剂，Jiali Zhang等人用抗坏血酸作还原剂制备出石墨烯[JialiZhang et al.，Chem.Commun.，2010，46，1112-1114]，但是其制备的石墨烯团聚严重，将限制石墨烯本身优越的特性，随后Chengzhou Zhu等人用葡萄糖还原制备出石墨烯[Chengzhou Zhu et al.，ACS Nano，2010，4(4)，2429]，由于葡萄糖的还原性较差，制备的石墨烯含氧量较高。因此寻找有效而绿色的还原剂，是化学剥离法制备石墨烯的又一重要趋势。同时随着生物医学技术的发展，人们对生物相容性材料的需求越来越多，例如生物骨移植材料、肾透析膜、心脏起搏器等都要求具有和人体组织器官很高相容性的生物材料。利用氨基酸等生物相容性的还原剂制备出来的石墨烯具有良好的生物相容性，而石墨烯众多优异的机械性能和物理性能对生物医学材料的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种通过含巯基类氨基酸及其衍生物制备单层石墨烯的方法，利用巯基的还原作用制备出可在水中稳定分散的单层石墨烯，表现出很好的生物相容性，其作为超级电容器电极材料性能优越。
本发明制备工艺步骤顺序如下：
(1)通过Hummer法制备氧化石墨；
(2)将氧化石墨放入水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为0.25g/L～1g/L的氧化石墨烯溶液，再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水；
(3)将还原剂溶于水中，形成质量浓度为0.25g/L～2g/L的水溶液，其中所述的还原剂为谷胱甘肽和半胱氨酸中的一种；
(4)将步骤(2)配制的氧化石墨烯溶液和步骤(3)配制的还原剂水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于油浴条件下搅拌，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
上述步骤(2)中所述的氨水用量为使氧化石墨烯溶液PH值调整至3.0～11.0。
上述步骤(4)中所述的氧化石墨和还原剂的质量比为100∶1～1∶100。
上述步骤(4)中油浴温度为25℃～120℃，搅拌时间为1～48小时。
附图说明
图1是本发明实施例1石墨烯透射电镜照片；
图2是本发明实施例1石墨烯原子力显微镜照片。
具体实施方式
实施例1
(1)取1g天然石墨、1g硝酸钠、46mL浓硫酸，将其混合均匀置于冰浴(0℃)条件下搅拌4小时，然后向反应物中慢慢加入6g高锰酸钾，在室温(25℃)下继续搅拌2小时，将98mL水慢慢加入反应物中，然后将反应物转移到98℃水浴中搅拌15分钟，加入200mL50℃的温水和20mL双氧水，趁热用盐酸离心(8000转/分钟)洗涤一次，水离心(8000转/分钟)洗涤三次，最后将亮黄色的沉淀物烘干得到氧化石墨。
(2)将0.1g氧化石墨放入100mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至10.0；
(3)将0.1g谷胱甘肽溶于50mL水中，形成质量浓度为2g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和半胱氨酸水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例2
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.1g氧化石墨放入200mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为0.5g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至10.0；
(3)将0.1g谷胱甘肽溶于50mL水中，形成质量浓度为2g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例3
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.05g氧化石墨放入200mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为0.25g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至10.0；
(3)将0.05g谷胱甘肽溶于25mL水中，形成质量浓度为2g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例4
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.1g氧化石墨放入100mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至11.0；
(3)将0.1g谷胱甘肽溶于100mL水中，形成质量浓度为1g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例5
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.05g氧化石墨放入50mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至11.0；
(3)将0.05g谷胱甘肽溶于200mL水中，形成质量浓度为0.25g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例6
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.01g氧化石墨放入10mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至9.0；
(3)将1g半胱氨酸溶于1000mL水中，形成质量浓度为1g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和半胱氨酸水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例7
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将1g氧化石墨放入1000mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至8.0；
(3)将0.01g半胱氨酸溶于10mL水中，形成质量浓度为1g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和半胱氨酸水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例8
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.1g氧化石墨放入100mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至7.0；
(3)将0.1g谷胱甘肽溶于100mL水中，形成质量浓度为1g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌48小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例9
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.1g氧化石墨放入100mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至6.0；
(3)将0.1g谷胱甘肽溶于100mL水中，形成质量浓度为1g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于90℃油浴条件下搅拌1小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例10
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.1g氧化石墨放入100mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至5.0；
(3)将0.1g谷胱甘肽溶于100mL水中，形成质量浓度为1g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于120℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
实施例11
(1)用与实施例1相同的工艺步骤制备氧化石墨；
(2)将0.1g氧化石墨放入100mL水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为1g/L的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水，使PH值调整至3.0；
(3)将0.1g谷胱甘肽溶于100mL水中，形成质量浓度为1g/L的水溶液；
(4)将配置好的氧化石墨烯溶液和谷胱甘肽水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于25℃油浴条件下搅拌24小时，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。

Claims (3)

1.一种生物相容性石墨烯的制备方法，其特征在于其工艺步骤顺序如下：
(1)通过Hummer法制备氧化石墨；
(2)将氧化石墨放入水中超声分散，形成均匀分散、质量浓度为0.25g/L～1g/L的氧化石墨烯溶液，再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28％的氨水；
(3)将还原剂溶于水中，形成质量浓度为0.25g/L～2g/L的水溶液；
(4)将步骤(2)配制的氧化石墨烯溶液和步骤(3)配制的还原剂水溶液混合均匀，将所得混合溶液置于油浴条件下搅拌，反应完毕后，将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。
2.根据权利要求1所述的生物相容性石墨烯的制备方法，其特征在于：所述的氨水用量为使氧化石墨烯溶液pH值调整至3.0～11.0；所述的还原剂为半胱氨酸和谷胱甘肽中的一种；氧化石墨和还原剂的质量比为100∶1～1∶100。
3.根据权利要求1所述的生物相容性石墨烯的制备方法，其特征在于：所述制备方法的步骤(4)中油浴温度为25℃～120℃，搅拌时间为1～48小时。 
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