CN102226951A - 一种改性石墨烯悬浮液的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种改性石墨烯悬浮液的制备方法是将氧化石墨粉碎成粒径为5-40微米的细粉，并于水中配制成浓度为0.5-3mg/ml的悬浮液，超声处理得到浓度为0.5-3mg/mL氧化石墨烯溶胶；将还原剂于水或酰胺类有机溶剂中溶解后配成6-15mg/mL还原剂溶液，加入到氧化石墨烯溶胶中，在30-100℃下加热反应4～20h，得到反应混合物后用乙醇洗涤、过滤，并将固体分离物分散于乙醇或酰胺类有机溶剂中，经超声处理，离心后得到改性石墨烯悬浮液。本发明具有制备过程简单，很好分散于乙醇及酰胺类有机溶剂中改性石墨烯悬浮液的优点。

Description

一种改性石墨烯悬浮液的制备方法
技术领域
本发明属于一种石墨烯悬浮液的制备方法，具体涉及一种化学改性石墨烯悬浮液的制备方法。
背景技术
石墨烯是单原子厚度的二维碳原子晶体，为目前人工制得的最薄物质，它被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元(Geim，A.K.等.自然材料6，183(2007))。现在，由碳原子所构成的具有几个原子层(通常小于10层)的晶体也都可称为石墨烯。自由态的二维晶体结构一直被认为热力学不稳定，不能在普通环境中独立存在(Wallace，P.R.物理评论72，258(1947))。直至2004年，曼彻斯特大学Geim等(Novoselov，K.S.等.科学306，666(2004))采用微机械劈裂法从石墨上剥下少量石墨烯单片，实现了其在空气中的无支撑悬浮，才将这一量子相对论的“概念”材料转化为现实。石墨烯的迷人之处不仅在于它神奇的二维结构，还在于它所拥有的独特的物理性质(Geim，A.K等.现代物理8，35(2007))。自从石墨烯被发现以来，引起了大量科学工作者的关注，他们投入大量的热情去挖掘这种新奇材料的特性，至今，已发现石墨烯在电、光和磁等方面都具有的许多奇特的性质，如室温量子霍尔效应(Zhang，Y.B.等.自然438，201(2005))、铁磁性(Nazmediano，M.A.H.等.物理综述快报96，256602(2006))、超导性(Heersche，H.B.等.固态快报143，72(2007))和巨磁阻效应(Kim，W.Y.等.自然纳米技术3，408(2008))等。由此可预见石墨烯能广泛应用于单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件，石墨烯已被预言有可能成为替代硅的新兴半导体材料。
目前，自由态石墨烯的制备方法主要有微机械劈裂法(Novoselov，K.S.等.科学306，666(2004))、外延生长法(Berger，C.等.科学312，1191(2006))和机械剥离氧化石墨法(Stankovich，S.等.炭素45，1558(2007))。石墨烯制备技术的不断完善，为基于石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障。但是，在石墨烯通往应用的道路上，还面临着另一个重要的问题，就是如何实现其可控功能。结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质(如溶剂等)的相互作用较弱，并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力，容易产生聚集，使其难溶于水及常用的有机溶剂，这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性(如提高溶解性、在基体中的分散性等)，必须对石墨烯进行有效的功能化。通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的性质，进一步拓展其应用领域。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段。尽管石墨烯的主体部分由稳定的六元环构成，但其边沿及缺陷部位具有较高的反应活性，可以通过化学氧化的方法制备石墨烯氧化物。由于石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团(Szabo，T.等.炭素44，537(2006))，可以利用多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化。Samulski等以石墨烯氧化物为原料，首先采用硼氢化钠还原，然后磺化，最后再用肼还原的方法，得到了磺酸基功能化的石墨烯(Si，Y.C.等.纳米快报8，1679(2008))。由于在石墨烯表面引入磺酸基，使其可溶于水。Zhu等(Zhu，C.Z.等.ACS Nano4，2429(2010))用水合肼与葡萄糖作还原剂还原氧化石墨烯所得改性石墨烯也能较好分散于水中。Ye等(Shen，J.F.等.Small 5，82(2009))首先采用化学氧化和超声剥离的手段，制备了石墨烯氧化物，然后用硼氢化钠还原，获得了结构相对完整的石墨烯，接下来，在自由基引发剂过氧化二苯甲酰作用下，采用苯乙烯和丙烯酰胺与石墨烯进行化学共聚，获得了聚苯乙烯-聚丙烯酰胺(PS-PAM)嵌段共聚物改性的石墨烯。由于聚苯乙烯和聚丙烯酰胺分别在非极性溶剂和极性溶剂中具有较好的溶解性，使得该石墨烯既能溶解于水，也能溶解于二甲苯。该方法进一步改善了石墨烯的溶解性，并且，PS-PAM功能化的石墨烯作为添加物，可以在多种聚合物中均匀分散。由于上述对石墨烯改性制备过程相对较复杂，且还原后所得改性石墨烯大多不能很好分散于乙醇、N，N-二甲基甲酰胺等有机溶剂中，从而限制了其规模化制备及其在电化学、复合材料等领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备过程简单，很好分散于乙醇及酰胺类有机溶剂中改性石墨烯悬浮液的制备方法。
本发明提供的改性石墨烯悬浮液的制备方法，包括以下步骤：
(1)氧化石墨烯溶胶的制备：将氧化石墨粉碎成粒径为5-40微米的细粉，并于水中配制成浓度为0.5-3mg/ml的悬浮液，在35-100W功率下超声处理30-100min后，离心除去悬浮液中的不稳定杂质，得到浓度为0.5-3mg/mL氧化石墨烯溶胶；
(2)改性石墨烯悬浮液的制备：将还原剂于水或酰胺类有机溶剂中溶解后配成6-15mg/mL还原剂溶液，加入到0.5-3mg/mL氧化石墨烯溶胶中，其中还原剂溶液：氧化石墨烯溶胶体积比为0.5-1∶1-1.5，在30-100℃下加热反应4～20h，得到反应混合物；
(3)将反应混合物用乙醇洗涤、过滤，并将固体分离物分散于乙醇或酰胺类有机溶剂中，经35-100W功率下超声处理30-180min，离心后得到改性石墨烯悬浮液。
如上所述的还原剂为尿素、硫脲、对苯二胺或乙二胺。
本发明提供的改性石墨烯有机溶剂悬浮液的制备方法具有下述特征和优点：制备过程简单，且易于操作，所制备的改性石墨烯悬浮液浓度可达0.1-0.65mg/mL，通过真空抽滤法制作改性石墨烯薄膜导电率为50-1050S/m，该材料可用于制备电极及复合材料。该材料具有良好导电性能，制品的应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明实施例4制得的改性石墨烯悬浮液的透射电子显微镜图片。
具体实施方式
实施例1
将0.45g氧化石墨研磨成粒径为8微米的细粉，并将其与去离子水混合配制成浓度为3mg/mL的悬浮液，40W功率下超声处理35分钟后，再将悬浮液以4000转/分钟的转速离心处理15分钟，除去离心管中沉淀，得到浓度为150mL 3mg/mL氧化石墨烯溶胶。
将尿素配制成15mg/mL的水溶液加入到上述3mg/mL氧化石墨烯溶胶中，其中还原剂溶液∶氧化石墨烯溶胶体积比为1∶1.5，在60℃下加热反应20h。将反应混合物用乙醇洗涤、过滤，并将固体分离物分散于N，N-二甲基乙酰胺中，40W功率下超声处理180min，离心后得到浓度达0.1mg/mL，可形成稳定均相的改性石墨烯/N，N-二甲基乙酰胺悬浮液。
取40mL以上述方法制备的上述材料，通过真空抽滤法制作改性石墨烯薄膜，用四探针测试其导电率为300S/m。
实施例2
将0.15g氧化石墨研磨成粒径为20微米的细粉，并将其与去离子水混合配制成浓度为1mg/mL的悬浮液，60W功率下超声处理30分钟后，再将悬浮液以4000转/分钟的转速离心处理15分钟，除去离心管中沉淀，得到100mL浓度为1.5mg/mL氧化石墨烯溶胶。
将硫脲配制成12mg/ml的水溶液后加入到上述1.5mg/mL氧化石墨烯溶胶中，其中还原剂溶液∶氧化石墨烯溶胶体积比为1∶1，在80℃下加热反应10h。将反应混合物用乙醇洗涤、过滤，并将固体分离物分散于N，N-二甲基甲酰胺中50W功率下超声处理120min，离心后得到浓度达0.3mg/mL，稳定均相的改性石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺悬浮液。
取40mL以上述方法制备的上述材料，通过真空抽滤法制作改性石墨烯薄膜，用四探针测试其导电率为600S/m。
实施例3
将0.2g氧化石墨研磨成粒径为30微米的细粉，并将其与去离子水混合配制成浓度为1mg/mL的悬浮液，70W功率下基层超声处理50分钟后，再将悬浮液以4000转/分钟的转速离心处理15分钟，除去离心管中沉淀，得到200mL浓度为1mg/mL氧化石墨烯溶胶。
将对苯二胺配制成10mg/mL的N，N-二甲基甲酰胺溶液后加入到上述1mg/mL氧化石墨烯溶胶中，其中还原剂溶液∶氧化石墨烯溶胶体积比为0.5∶1.5，在90℃下加热反应8h。将反应混合物用乙醇洗涤、过滤，并将固体分离物分散于乙醇中，90W功率下超声处理80min，离心后得到浓度达0.4mg/mL，稳定均相的改性石墨烯/乙醇悬浮液。
取30mL以上述方法制备的上述材料，通过真空抽滤法制作改性石墨烯薄膜，用四探针测试其导电率为1000S/m。
实施例4
将0.05g氧化石墨研磨成粒径为40微米的细粉，并将其与去离子水混合配制成浓度为3mg/mL的悬浮液，90W功率下超声处理100分钟后，再将悬浮液以4000转/分钟的转速离心处理15分钟，除去离心管中沉淀，得到100mL浓度为0.5mg/mL氧化石墨烯溶胶。
将乙二胺配制成6mg/mL的乙醇溶液后加入到上述0.5mg/mL氧化石墨烯溶胶中，其中还原剂溶液∶氧化石墨烯溶胶体积比为0.5∶1，在100℃下加热反应5h。将反应混合物用乙醇洗涤、过滤，并将固体分离物分散于乙醇中，100W功率下超声处理35min，离心后得到浓度达0.5mg/mL，稳定均相的改性石墨烯/乙醇悬浮液。
取20mL以上述方法制备的上述材料，通过真空抽滤法制作改性石墨烯薄膜，用四探针测试其导电率为100S/m。

Claims (2)

1.一种改性石墨烯悬浮液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)氧化石墨烯溶胶的制备：将氧化石墨粉碎成粒径为5-40微米的细粉，并于水中配制成浓度为0.5-3mg/ml的悬浮液，在35-100W功率下超声处理30-100min后，离心除去悬浮液中的不稳定杂质，得到浓度为0.5-3mg/mL氧化石墨烯溶胶；
(2)改性石墨烯悬浮液的制备：将还原剂于水或酰胺类有机溶剂中溶解后配成6-15mg/mL还原剂溶液，加入到0.5-3mg/mL氧化石墨烯溶胶中，其中还原剂溶液：氧化石墨烯溶胶体积比为0.5-1∶1-1.5，在30-100℃下加热反应4～20h，得到反应混合物；
(3)将反应混合物用乙醇洗涤、过滤，并将固体分离物分散于乙醇或酰胺类有机溶剂中，经35-100W功率下超声处理30-180min，离心后得到改性石墨烯悬浮液。
2.如权利要求1所述的一种改性石墨烯悬浮液的制备方法，其特征在于所述的还原剂为尿素、硫脲、对苯二胺或乙二胺。
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