CN103539105A - 一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯及其制备方法 - Google Patents

一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯及其制备方法。该功能化石墨烯/氧化石墨烯包括具有膜片状结构的石墨烯/氧化石墨烯基体，并且至少所述石墨烯/氧化石墨烯基体表面分布连接有磺酸基，其在水相体系中的溶解度在100mg/ml以上，并能稳定保存三个月以上，具有广泛的应用前景；其制备方法包括：提供主要由三氧化硫和强酸均匀混合形成的介质，并在介质中添加石墨烯/氧化石墨烯，使形成的混合反应物中所含石墨烯/氧化石墨烯的浓度为1-10wt%，而后将混合反应物于60-150℃下反应1-10h，然后在160℃以上蒸馏，残留物经清洗后，获得目标产物，该工艺简单易实施，成本低廉，且安全环保，适应规模化工业生产的需求。

Description

一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯材料及其制程，特别是一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯及其制备方法。
背景技术
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，具有电阻率极低，电子迁移速度极快、透光率高等特点，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，并且也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
当前用以制备石墨烯的方法有很多种，例如，机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法、碳纳米管剥离法、高温还原法、光照还原法、外延晶体生长法、微波法、电弧法和电化学法等。
但是，利用现有方法所获的各类石墨烯、氧化石墨烯材料等均普遍存在溶解性差，分散稳定性低等问题，例如，目前市售氧化石墨烯水分散液的浓度通常在10 mg/ml以下，且不易长期保存，因此使得石墨烯材料的推广应用受到极大的制约。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯，包括具有膜片状结构的石墨烯/氧化石墨烯基体，并且至少所述石墨烯/氧化石墨烯基体表面分布连接有磺酸基。
进一步的讲，所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯内含有5-20wt%磺酸基。
进一步的讲，所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯在水相体系中的溶解度在100mg/ml以上，最高可以达到150mg/ml。
进一步的讲，所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯水溶液的稳定保存时间可达到两年，且最短亦不少于三个月。
需要说明的是，本发明中所述的“溶解度”，系指石墨烯/氧化石墨烯材料在液相体系中稳定分散时的重量百分比含量。
一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，包括：提供主要由三氧化硫和强酸均匀混合形成的介质，并在介质中添加石墨烯/氧化石墨烯，使形成的混合反应物中所含石墨烯/氧化石墨烯的浓度为1-10wt%，而后将混合反应物于60-150℃下反应1-10h，然后在160℃以上蒸馏，残留物经清洗后，获得超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯。
进一步的，所述强酸包括浓硫酸和/或氯磺酸，且不限于此。
作为较为优选的实施方案之一，所述介质包含质量比为1～2：3～7：2～3的浓硫酸、氯磺酸与三氧化硫。
进一步的，该制备方法包括：将蒸馏后所获残留物水洗，从而获得超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯。
进一步的，该制备方法包括：将所述混合反应物置于多管膜式反应器内进行反应，并将反应过程中产生的尾气以碱液回收。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
1、提供的产物为具有超强水溶性的功能化石墨烯/氧化石墨烯，其在水相体系中的溶解度在100mg/ml以上，最高可以达到150mg/ml，稳定保存时间可达到两年，且不少于三个月，远远优于现有石墨烯/氧化石墨烯类产品，具有广泛的应用前景；
2、提供的制备工艺简单，易于实施，成本低廉，且安全环保，适应规模化工业生产的需求。
附图说明
图1是本发明实施例1所获目标产物的TEM照片之一；
图2是本发明实施例1所获目标产物的TEM照片之二；
图3是本发明实施例1所获目标产物的红外图谱。
具体实施方式
以下结合若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
实施例1 将浓硫酸、氯磺酸与三氧化硫以质量比为2:3:3加入多管膜式反应器，再加入市售石墨烯均匀混合，使混合反应物中的石墨烯含量达到1wt%，在60℃温度下反应1小时，尾气用碱液回收，反应完成后，将混合反应物在160℃蒸馏，残留物经水洗，得到目标产物。
参阅图1-图2，通过TEM观察该目标产物，可以看到，其保持了石墨烯、氧化石墨烯的膜片状结构，而再参阅图3，通过IR、Raman光谱等对目标产物进行定性、定量分析，可以发现，目标产物表面连接有磺酸基（参阅图3，1137和1000左右的峰为磺酸根的特征峰），其质量百分含量可以达到8%。
当将该目标产物分散于水中时，所获分散液的浓度可以达到10wt%，稳定保存时间可以达到6个月（以5wt%的沉降率作为稳定分散状态和非稳定分散状态的临界值）。
实施例2 将浓硫酸、氯磺酸与三氧化硫按1:5:3的质量比加入多管膜式反应器，再加入市售石墨烯均匀混合，使混合反应物中的石墨烯含量达到10wt%，在150℃温度下反应10小时，尾气用碱液回收，反应完成后，将混合反应物在180℃蒸馏，残留物经水洗，得到目标产物。同样的，通过TEM观察该目标产物，可以看到，其保持了石墨烯、氧化石墨烯的膜片状结构，而再通过IR、Raman光谱等对目标产物进行定性、定量分析，可以发现，目标产物表面连接有磺酸基，其质量百分含量可以达到10%。
当将该目标产物分散于水中时，所获分散液的浓度可以达到12wt%，稳定保存时间可以达到一年。
实施例3 将浓硫酸、氯磺酸与三氧化硫按1:7:2的质量比加入多管膜式反应器，再加入市售石墨烯均匀混合，使混合反应物中的石墨烯含量达到6wt%，在100℃温度下反应4小时，尾气用碱液回收，反应完成后，将混合反应物在等对目标产物进行定性、定量分析，可以发现，目标产物具有与实施例1-2所获产物相近的物理形态，且该目标产物表面也连接有磺酸基，其质量本分含量可以达到13%。
当将该目标产物分散于水中时，所获分散液的浓度可以达到15%，稳定保存时间可以达到两年。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯，其特征在于，它包括具有膜片状结构的石墨烯/氧化石墨烯基体，并且至少所述石墨烯/氧化石墨烯基体表面分布连接有磺酸基。
2.根据权利要求1所述的超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯，其特征在于，所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯包含5-20wt%磺酸基。
3.根据权利要求1所述的超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯，其特征在于，所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯在水相体系中的溶解度在100mg/ml以上。
4.根据权利要求1所述的超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯，其特征在于，所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯水溶液的稳定保存时间在3个月以上。
5.一种超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：提供主要由三氧化硫和强酸均匀混合形成的介质，并在介质中添加石墨烯/氧化石墨烯，使形成的混合反应物中所含石墨烯/氧化石墨烯的浓度为1-10wt%，而后将混合反应物于60-150℃下反应1-10h，然后在160℃以上蒸馏，残留物经清洗后，获得超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯。
6.根据权利要求5所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，所述强酸包括浓硫酸和/或氯磺酸。
7.根据权利要求5或6所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，所述介质包含质量比为1～2：3～7：2～3的浓硫酸、氯磺酸与三氧化硫。
8.根据权利要求5所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括：将蒸馏后所获残留物水洗，从而获得超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯。
9.根据权利要求5所述超强水溶性功能化石墨烯/氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，该方法包括：将所述混合反应物置于多管膜式反应器内进行反应，并将反应过程中产生的尾气以碱液回收。
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