CN102674323A

CN102674323A - 一种氧化石墨烯的制备方法

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Publication number: CN102674323A
Application number: CN2012101250715A
Authority: CN
Inventors: 肖衍和; 郭洪平
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-09-19

Abstract

一种氧化石墨烯的制备方法，属于化学合成技术领域，其特征是将农林副产物或碳水化合物按农林副产物或碳水化合物:硫酸=1:1000~1﹕5的质量比溶解在10%~100%浓度的硫酸溶液中，于0~200℃反应0.5~48小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。本发明步骤简单，易于操作，适合大规模工业化生产；原材料来源广泛，且廉价；产率高，易于提纯；反应条件温和，能耗低。

Description

一种氧化石墨烯的制备方法

技术领域

本发明属于化学合成技术领域，涉及氧化石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，它可看作是构建其它维数碳质材料( 如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨) 的基本单元。石墨烯具有许多奇特而优异的性能: 如杨氏模量、热导率、载流子迁移率以及比表面积( 理论计算值2630 m²/g) 等均比较高，还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和激子带隙等现象。这些优异的性能和独特的纳米结构，使石墨烯成为近年来广泛关注的焦点。基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景。

石墨烯的制备最早采用的是机械剥离法，即利用胶带粘贴石墨后再转移到硅片上，随后出现，在惰性晶体( SiC) 上的晶体外延法；单晶金属上的化学气相沉积法；利用特定活性剂的石墨插层剥离法；以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等等。

采用气相沉积法制备出的石墨烯具有较完整的晶体结构，为石墨烯电子性能的研究提供了重要的基材，但所制得的石墨烯产量较低，难以规模化生产; 化学法可大量制备石墨烯单片，但起始原料常常有缺陷，以氧化石墨烯为原料制备的石墨烯单片存在不同程度的缺陷。考虑到石墨烯的制备成本和可操作性，采用氧化石墨烯为起始材料经过脱氧还原制备石墨烯是目前较普遍的制备方法。

氧化石墨烯石墨烯的氧化产物，在其二维碳骨架片层和边缘上含有众多含氧官能团，如羟基、羧基、环氧基，这些含氧官能团的存在赋予GO水溶性和容易功能化特性，从而能在水和有机溶剂中形成均一悬浮体系，为合成石墨烯基材料提供更多可能性。然而，据我们所了解，到目前为止世界上制备GO的方法都是石墨氧化-剥离法，主要包括Brodie法、Staudenmaier法、Hummers 法及其改进方法。这些方法都比繁琐昂贵且产率不高，需要消耗不可再生的石墨资源，限制了GO的规模化应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、转化效率高的可用于大规模工业生产制备氧化石墨烯的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

将农林副产物或碳水化合物按农林副产物或碳水化合物:硫酸=1:1000~1﹕5的质量比溶解在10%~100%浓度的硫酸溶液中，于0~200℃反应0.5~48小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

优选地，农林副产物或碳水化合物:硫酸的质量比为1:100~1:10，硫酸溶液浓度为70%~100%，反应温度为25~120℃，反应时间为2~24小时。

本发明所述的农林产物是指木头、木屑、秸秆、果壳、稻壳、棉花、纸张、甘蔗渣等中的一种或两种以上。

本发明所述的碳水化合物为葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素等中的一种或两种以上。

所述的硫酸溶液为硫酸水溶液、硫酸乙醇溶液、硫酸甲醇溶液、硫酸甲基吡咯烷酮、硫酸N,N二甲基甲酰胺溶液等硫酸极性溶液。

本发明方法基于如下原理：利用碳的液相扩散速度大于其固相扩散速度，通过控制碳化反应中动力学条件，使得原材料直接碳化形成氧化石墨烯，而不是无定型碳。

本发明提供了一种制备氧化石墨烯的方法。与制备氧化石墨烯的常规方法相比，本发明的氧化石墨烯的制备具有以下优点。

1、步骤简单，易于操作，适合大规模工业化生产。

2、原材料来源广泛，且廉价。

3、产率高，易于提纯。

4、反应条件温和，能耗低。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

实施例1。

首先把1公斤木屑按木屑：纯硫酸的质量比为1：100溶解在浓度为10%的硫酸水溶液中，后加热到100℃并保温48小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例2。

首先把1公斤棉花按棉花：硫酸的质量比为1：200溶解在浓度为30%的硫酸水溶液中，后加热到120℃并保温40小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例3。

首先把1公斤纸张按纸张：硫酸的质量比为1：1000溶解在硫酸中，后加热到200℃并保温0.5小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例4。

首先把1公斤秸秆按秸秆：硫酸的质量比为1：400溶解在浓度为70%硫酸水溶液中，后加热到150℃并保温20小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例5。

首先把0.5公斤秸秆和0.5公斤木屑溶解在20升70%硫酸水溶液中，后加热到150℃并保温20小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例6。

首先把1公斤葡萄糖按葡萄糖：硫酸的质量比为1：5溶解在硫酸中，后加热到100℃并保温5小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例7。

首先把1公斤蔗糖按蔗糖：硫酸的质量比为1：10溶解在硫酸中，在室温反应24小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例8。

首先把1公斤淀粉按淀粉：硫酸的质量比为1：20溶解在硫酸中，在0℃反应48小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例9。

首先把1公斤葡萄糖溶解在10升90%硫酸乙醇溶液中，在60℃反应20小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例10。

首先把1公斤葡萄糖溶解在10升85%硫酸甲醇溶液中，在100℃反应24小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例11。

首先把1公斤葡萄糖溶解在10升80%硫酸甲基吡咯烷酮溶液中，在100℃反应10小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

实施例12。

首先把1公斤葡萄糖溶解在10升75%硫酸N,N二甲基甲酰胺溶液中，在100℃反应15小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

虽然以上说明书举例说明并描述了典型的实施方案，但本领域技术人员将明白的是，可以做出多种改变，并且可以用等价物代替其中的要素，而不离开本发明的范围。此外，可以对本发明所教导的内容做出很多修改以适应具体情况或材料而不偏离本发明的基本范围。因此，这里的意图是本发明不被限制于作为实现这个发明的预期最优模式而公开的具体实施方案，而是本发明将包括落入其所附的权利要求范围之内的所有实施方案。

Claims

1.一种氧化石墨烯的制备方法，其特征是将农林副产物或碳水化合物按农林副产物或碳水化合物:硫酸=1:1000~1﹕5的质量比溶解在10%~100%浓度的硫酸溶液中，于0~200℃反应0.5~48小时，得到黑色生成物；过滤、洗涤、干燥后得到氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯的制备方法，其特征是农林副产物或碳水化合物:纯硫酸的质量比为1:100~1:10，硫酸溶液浓度为70%~100%，反应温度为25~120℃，反应时间为2~24小时。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述的农林产物是指木头、木屑、秸秆、果壳、稻壳、棉花、纸张或甘蔗渣的一种或两种以上。

4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述的碳水化合物为葡萄糖、蔗糖、淀粉或纤维素的一种或两种以上。

5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯的制备方法，其特征是所述的硫酸溶液为硫酸水溶液、硫酸乙醇溶液、硫酸甲醇溶液、硫酸甲基吡咯烷酮或硫酸N,N二甲基甲酰胺溶液。