CN102765714A - 一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法,该方法包括以下步骤:将浓度为98%的浓硫酸置于反应容器中,再向反应容器中加入天然鳞片石墨和硝酸钠并搅拌反应4-72小时;然后加入高锰酸钾并搅拌至黏稠,置于30-50℃的条件下加热反应1-8小时;再加入去离子水,于70-90℃温度下加热反应0.5-5小时;反应结束后再次加入去离子水,最后加入质量百分含量为30%的双氧水至溶液变为金黄色;静置1-5分钟,抽滤,滤饼用去离子水溶解,再加入絮凝剂,沉降物过滤、洗涤至中性,真空干燥箱中50℃下干燥12-72小时即得氧化石墨。本发明原料成本低廉易得、操作简易、工艺简单、重现性好、产品质量高,碳氧比可达0.96。
Description
技术领域
本发明涉及一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法。
背景技术
2004年, Novoselov等第一次用机械剥离法(Mechanical cleavage)获得单层和2层-3层石墨烯片层后,石墨烯就以其独特的优异性能引起了世界诸多学者的关注。石墨烯具有优良的导电,导热性以及力学性能,同时还具有很高的比表面积,具有广阔的应用前景。目前制备石墨烯的方法主要有:机械剥离法,化学气象沉淀法,插层法和氧化还原法。其中氧化还原法以其较高的氧化程度,简单的操作逐渐成为制备石墨烯的主要方法。
由石墨制备氧化石墨是制备石墨烯的关键步骤。目前较为常见的制备氧化石墨的方法主要以下几种:Bordie法、Saudenmaier法和Hummers法。
Bordie 法采用浓硝酸体系,以高氯酸盐为氧化剂来制备氧化石墨,获得的氧化石墨的氧化程度较低,需进行多次氧化处理以提高氧化程度,反应时间相对较长,连续三次氧化处理后可获得氧化石墨。该法的优点是其氧化程度可利用氧化时间进行控制,合成的氧化石墨结构比较规整。但因采用高氯酸盐作氧化剂,危险性较大,且反应过程中会产生较多的有毒气体(Brodie B.C.Ueber das atomgewicht des graphites[J].Ann.Chem.Phys,1860,59:466~468)。Saudenmaier 采用浓硫酸体系,高氯酸盐和发烟硝酸为氧化剂,氧化程度随反应时间的增加而增加,可通过控制反应时间来控制石墨的最终氧化程度。它的缺点是充分反应的时间较长,氧化程度较低,需进行多次氧化处理,一般氧化56小时后所得到产物的中才不出现石墨峰,(Staudenmaier L.Ber.Dtsch.Chem.Ges,1898,31,1484.)。
Hummers 法采用浓硫酸+硝酸盐体系,以高锰酸钾为氧化剂,反应过程可分低温 4 ℃以下、中温 35℃左右和高温 100 ℃以下反应三个阶段。该法的优点是用高锰酸盐代替高氯酸盐,提高了实验的安全性,减少了有毒气体的产生(Hummers W.D,Offeman.J.R.E.Preparation of graphitic oxide[J].J.Am.Chem.Soc,1958,80(6):1339)。
氧化石墨还原制备石墨烯时,容易发生团聚,难以制得单层或少层石墨烯,解决这一问题的关键是提高氧化石墨的氧化程度,但是利用传统hummer法制备的氧化石墨氧化程度不高,氧化石墨中碳氧比比较高,难以制备单层石墨烯。另外,氧化石墨在各个领域的应用首要问题是分散性,要达到在溶剂中具有良好的分散性,最主要是提高氧化石墨的氧化程度,传统方法制备的氧化石墨在溶剂中分散性差,也限制了氧化石墨的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对当前技术存在的氧化石墨氧化程度不高,在溶剂中分散性差的不足提供一种实验操作较简便,氧化程度高,分散性好的氧化石墨的制备方法,该方法采用延长低温反应时间,增加石墨预氧化过程,提高氧化石墨的氧化程度,后处理采用有机絮凝沉降大大缩短后处理时间,简便实验过程。
本发明技术方案为:
一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法,具体步骤如下:
a. 将浓度为98%的浓硫酸置于反应容器中,保持温度在-10℃-10℃,再向反应容器中加入天然鳞片石墨和硝酸钠并搅拌反应4-72小时;
物料配比为:每1克天然鳞片石墨加入10-50ml的浓硫酸;每1克天然鳞片石墨加入0.1-3
克的硝酸钠。所述天然鳞片石墨目数为100-500目;
b. 然后加入高锰酸钾并搅拌至黏稠,;每1克天然鳞片石墨加入1-10克的高锰酸钾;
c. 将步骤b的反应容器置于30-50℃的条件下加热反应1-8小时;
d. 加热反应结束后,向反应容器中加入去离子水,将反应容器置于70-90℃温度下加热反应0.5-5小时;物料配比为:每1克天然鳞片石墨对应加入20-80ml的去离子水;
e. 步骤d水浴加热反应结束后,持续搅拌,向反应容器中再次加入去离子水,最后加入质量百分含量为30%的双氧水至溶液变为金黄色;物料配比为:每1克天然鳞片石墨对应加入100-300ml的去离子水;每1克天然鳞片石墨对应加入5-50ml的双氧水;
f. 步骤e得到的金黄色悬浮液静置1-5分钟,将反应容器中上层金黄色悬浮液抽滤,去除反应容器下层未氧化的黑色石墨;
g. 步骤f得到的滤饼用去离子水溶解,得到氧化石墨悬浮液,向氧化石墨悬浮液中加入絮凝剂,氧化石墨迅速沉降,将沉降物过滤、洗涤至中性,真空干燥箱中50℃下干燥12-72小时即得氧化石墨,物料配比为:每1克天然鳞片石墨所制备的氧化石墨悬浮液中对应加入0.05-2克的絮凝剂。
所述的絮凝剂为四丁基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵,十四烷基三甲基溴化铵,十六烷基三甲基溴化铵,十八烷基三甲基溴化铵中的一种或几种;
本发明通过延长低温反应阶段的反应时间,增加石墨预氧化过程,得到的氧化石墨具有高氧化程度,由元素分析测试可得,由本发明制备的氧化石墨中,碳氧比为0.96,远远低于传统方法制备所得的氧化石墨碳氧比2.1-2.9,说明本发明制得的氧化石墨中含氧官能团丰富,氧化程度高。
相比于传统方法制备的氧化石墨只在少数溶剂中有较好分散,本发明制备的氧化石墨在多种溶剂中能够保持良好稳定的分散性,解决了由氧化石墨经还原制备石墨烯过程中,石墨烯容易在有机溶剂中团聚的问题,为大批量制备单层石墨烯提供了有利条件。同时为氧化石墨与各种材料进行复合提供了良好的条件。
本发明通过絮凝沉降能将氧化石墨很容易从水分散系中分离出来,并且再加水洗涤时,也可以通过抽滤方式进行洗涤,大大缩短了氧化石墨制备过程后处理的时间,从而实现了石墨烯的快捷、简便制备。本发明的突出优点是原料成本低廉易得、操作简易、工艺简单、重现性好、产品质量高。
由氧化石墨制备的石墨烯,可用于构筑纳米级的计算机芯片,太阳能电池电极和场效应晶体管等二维光电子元器件,具有极其重要的实际应用价值。
附图说明
图1为制备高氧化程度高分散性氧化石墨中絮凝沉降步骤的照片,其中a为制备的金黄色氧化石墨水溶液;b为加入絮凝剂后氧化石墨沉降的照片。
图2为制得的氧化石墨在各种溶剂中的分散图。
图3为制得的氧化石墨和石墨粉的X射线衍射光谱图。
图4为制得的氧化石墨的傅里叶变换红外谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明做进一步说明。
实施例1
利用兴和325目鳞片石墨制备高分散性氧化石墨的方法包括以下制备步骤:
1. 将烧杯放入冰盐浴中,待烧杯中温度降为-4℃后,称取1克双兴325目鳞片石墨粉,加入到烧杯中,取23ml质量百分比浓度为98%的浓硫酸缓缓加入到烧杯中,然后再加入0.5克硝酸盐,硝酸盐为硝酸钠,放入磁子;
2. 设定搅拌速度为300转/分钟,在-4℃下搅拌反应24小时;
3. 低温反应结束后,撤去冰盐浴,将烧杯浸泡在水浴中,搅拌速度为500转/分钟。称取3克高锰酸钾并在5-10分钟内缓慢加入到浓硫酸石墨粉溶液中,水浴温度升至35℃反应4小时,直至溶液变粘稠;
4. 中温反应结束后,向烧杯中缓慢加入46ml去离子水,去离子水在2-8分钟内加完,同时将水浴温度升至90℃,搅拌速度为500转/分钟,搅拌反应30分钟;
5. 高温反应结束后,关闭水浴加热,搅拌速度为500转/分钟,向烧杯中加入140ml去离子水,最后向烧杯中加入15ml质量百分比浓度为30%的双氧水,最后溶液变为金黄色;
6. 将金黄色溶液静置2分钟,取上部金黄色溶液,去除底部黑色未氧化石墨,上层金黄色溶液进行抽滤;
7. 抽滤所得滤饼用去离子水溶解,向所得溶液中加入0.1克四丁基溴化铵进行絮凝沉降,将所得沉降物反复洗涤抽滤直至中性;
8. 抽滤滤饼置于50℃真空干燥箱中干燥24小时即得氧化石墨;
9. 将得到的氧化石墨溶解在各个溶剂中,超声5分钟,得到稳定的氧化石墨悬浮胶体液。氧化石墨的加入量满足:每10ml溶剂对应加入10毫克氧化石墨。所述溶剂为水、乙醇、N-N-二甲基酰胺(DMF)、二甲基亚枫(DMSO),四氢呋喃,丙酮的一种或几种。
10. 对所得氧化石墨进行元素分析测试,见下表:
C(%) | H(%) | O(%) |
46.2 | 6.2 | 47.6 |
得到氧化石墨碳氧比为0.96。
11. 对所得氧化石墨进行表征,得到图2、图3、图4结果。
图2中a为氧化石墨在水中的分散图,b为氧化石墨在N-N二甲基酰胺(DMF)中的分散图,c为氧化石墨在二甲基亚枫(DMSO)中的分散图,d为氧化石墨在乙醇中的分散图,e为氧化石墨在四氢呋喃(THF)中的分散图,f为氧化石墨在丙酮中的分散图,由分散图得知,本发明制备的氧化石墨在溶剂中具有良好的分散性。
图3中,如图石墨X射线的衍射图,其中石墨的衍射峰:2θ=26.52°;如图氧化石墨X射线衍射图,其中氧化石墨的衍射峰:2θ=10.26°,由氧化石墨X射线衍射图可以看出,石墨衍射峰基本消失,氧化石墨衍射峰显著,说明所得为氧化石墨,且氧化程度高。
图4中可以看出部分基团的特征峰是由氧化过程产生的。各峰分别为C-O:1055 cm-1,C-O-C:1219 cm-1,C-OH:1483cm-1,C=O:1853cm-1,说明本发明制得的氧化石墨中含有丰富的含氧官能团。
实施例2. 按实施例1的制备方法,只是所述高锰酸钾的量改为8克,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例3. 按实施例1的制备方法,只是所述硝酸盐为0.5克硝酸钾,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例4. 按实施例1的制备方法,只是所述-4℃搅拌时间为36小时,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例5. 按实施例1的制备方法,只是所述90℃搅拌反应时间为2小时,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例6. 按实施例1的制备方法,只是所述絮凝剂为0.1克十二烷基三甲基溴化铵,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例7. 按实施例1的制备方法,只是所述絮凝剂为0.1克十四烷基三甲基溴化铵,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例8. 按实施例1的制备方法,只是所述絮凝剂为0.1克十六烷基三甲基溴化铵,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例9. 按实施例1的制备方法,只是所述絮凝剂为0.1克十八烷基三甲基溴化铵,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例10. 按实施例1的制备方法,只是所述石墨粉为5克双兴325目鳞片石墨,所述高锰酸钾量为18克,所述硝酸盐为硝酸钠,质量为1.5克,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例11.按实施例1的制备方法,只是所述石墨粉为5克双兴325目鳞片石墨,所述高锰酸钾量为18克,所述硝酸盐为硝酸钾,质量为1.5克,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例12. 按实施例1的制备方法,只是所述石墨粉为10克双兴325目鳞片石墨,所述高锰酸钾量为35克,所述硝酸盐为硝酸钠,质量为3.0克,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例13.按实施例1的制备方法,只是所述石墨粉为5克双兴325目鳞片石墨,所述高锰酸钾量为35克,所述硝酸盐为硝酸钾,质量为3.0克,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例14. 按实施例1的制备方法,只是所述石墨粉为1克双兴100目鳞片石墨,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例15. 按实施例1的制备方法,只是所述石墨粉为5克双兴100目鳞片石墨,所述高锰酸钾量为18克,所述硝酸盐为硝酸钠,质量为1.5克,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96;
实施例16. 按实施例1的制备方法,只是所述石墨粉为10克双兴100目的鳞片石墨,所述高锰酸钾量为35克,所述硝酸盐为硝酸钾,质量为3.0克,同样得到图2、图3、图4的结果,对所得氧化石墨进行元素分析测试,得到氧化石墨碳氧比为0.96。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法,其特征为包括以下步骤:
a.将浓度为98%的浓硫酸置于反应容器中,保持温度在-10℃-10℃,再向反应容器中加入天然鳞片石墨和硝酸钠并搅拌反应4-72小时;
物料配比为:每1克天然鳞片石墨加入10-50ml的浓硫酸;每1克天然鳞片石墨加入0.1-3
克的硝酸钠;
b.然后加入高锰酸钾并搅拌至黏稠,;每1克天然鳞片石墨加入1-10克的高锰酸钾;
c.将步骤b的反应容器置于30-50℃的条件下加热反应1-8小时;
d.加热反应结束后,向反应容器中加入去离子水,将反应容器置于70-90℃温度下加热反应0.5-5小时;物料配比为:每1克天然鳞片石墨对应加入20-80ml的去离子水;
e.步骤d水浴加热反应结束后,持续搅拌,向反应容器中再次加入去离子水,最后加入质量百分含量为30%的双氧水至溶液变为金黄色;物料配比为:每1克天然鳞片石墨对应加入100-300ml的去离子水;每1克天然鳞片石墨对应加入5-50ml的双氧水;
f.步骤e得到的金黄色悬浮液静置1-5分钟,将反应容器中上层金黄色悬浮液抽滤,去除反应容器下层未氧化的黑色石墨;
g.步骤f得到的滤饼用去离子水溶解,得到氧化石墨悬浮液,向氧化石墨悬浮液中加入絮凝剂,氧化石墨迅速沉降,将沉降物过滤、洗涤至中性,真空干燥箱中50℃下干燥12-72小时即得氧化石墨,物料配比为:每1克天然鳞片石墨所制备的氧化石墨悬浮液中对应加入0.05-2克的絮凝剂。
2.如权利要求1所述的高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法,其特征为所述天然鳞片石墨目数为100-500目。
3.如权利要求1所述的高氧化程度高分散性氧化石墨的制备方法,其特征为所述的絮凝剂为四丁基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵,十四烷基三甲基溴化铵,十六烷基三甲基溴化铵,十八烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。
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