CN104176729B - 一种氧化石墨烯的还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学领域，具体涉及一种氧化石墨烯的还原方法。本发明方法包括以下步骤：密闭条件下，将氧化石墨烯在温度不低于100℃的水与水蒸气的体系中反应即可。该方法能够还原氧化石墨烯，提高产品中的C/O比；同时，该方法操作简单、反应时间短、无有毒有害物质、能耗低，为氧化石墨烯的还原提供了一条有效的途径。

Description

一种氧化石墨烯的还原方法

技术领域

本发明属于化学领域，具体涉及一种氧化石墨烯的还原方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)(VRGO)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm&sup2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

近年来，石墨烯在医学检测以及治疗上的应用也越来越多地被发现：有学者发现石墨烯可以诱导神经干细胞和脂肪干细胞的分化；有学者发现石墨烯-钛金属复合体对成骨分化有一定的诱导作用；石墨烯被人体吸收后进行高效的肿瘤光热治疗，也一直是学者们关注的热点之一；另外，由于表面肿瘤热疗中体内的石墨烯表现出光热趋向性，石墨烯作为药物载体也越来越多地被关注和研究。

综上，石墨烯具有种种优异的物理性质和越来越广的应用，其现有的主要制备方法现总结如下：

①微机械分离法(Micromechanicalcleavage)：2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次使用该方法，成功地从高定向热裂解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphite)上剥离并观测到单层石墨烯，获2010年诺贝尔物理学奖。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，2004年只能作为实验室小规模制备。

②化学还原法(Chemicalmethods)：化学还原法(或氧化-还原法)制备成本低廉且容易实现，成为了此前制备石墨烯的最佳方法，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨烯表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。

氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团，就能得到石墨烯。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。

氧化-还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染，使用二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH₄)和液肼等还原剂，反应物或反应产物多为有毒有害物质，对环境影响巨大。另外制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。

③化学气相沉积法(CVD)：CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。CVD法首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破。

麻省理工学院的Kong等、韩国成均馆大学的Hong等和普渡大学的Chen等在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，如：碳氢化合物，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为80％时电导率即可达到1.1×106S/m，成为透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。

④低温热还原法(Thermalreduction)：有学者发现，在较低的温度下(＜500℃)，一定的因素(如长时间搅拌、射线、超声等)也会使得氧化石墨烯向石墨烯转变，从而合成石墨烯。但这类方法普遍耗时较长(＞72h)，且还原效率较低。

本领域目前迫切需要开发出一种操作方便、耗时短、无污染、成本低的氧化石墨烯的还原方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化石墨烯的还原方法。该方法包括以下步骤：密闭条件下，将氧化石墨烯在温度不低于100℃的水与水蒸气的体系中反应即可。

优选的，上述方法中，所述温度为100～200℃。

进一步的，上述方法中，所述温度为105～130℃。

再进一步的，上述方法中，所述温度为121～130℃。

更进一步的，上述方法中，所述温度为121℃。

优选的，上述方法中，所述水与水蒸气体系为饱和水蒸气体系。

优选的，上述方法中，反应时间不低于20min。

进一步的，上述方法中，反应时间20～240min。

更进一步的，上述方法中，反应时间为120min。

优选的，上述方法中，反应pH值为3～13。

进一步的，上述方法中，反应pH值为9～13。

更进一步的，上述方法中，反应pH值为11。

本发明针对现有技术的种种缺点，创造性地开发了一种将氧化石墨烯(GO)在一定压力一定温度的水蒸气辅助下完成还原的方法。

本发明氧化石墨烯的还原方法不采用有毒有害的化学物质，同时在反应的过程中也不会产生有毒有害的物质，绿色清洁；能耗低、反应快；本发明方法获得的石墨烯C/O比例高；本发明方法还原后的产品经多种细胞证明毒性低、生物活性高，具有很好的应用前景，为石墨烯的制备提供了一种新的思路。

附图说明

图1氧化石墨烯与被还原后的氧化石墨烯的XRD图谱；

图2氧化石墨烯与被还原后的氧化石墨烯的红外图谱；

图3氧化石墨烯与被还原后的氧化石墨烯的XPS图；

图4温度对反应的影响；

图5pH值对反应的影响；

图6碱性条件对反应的影响；

图7时间对反应的影响。

具体实施方式

氧化石墨烯的还原方法，包括以下步骤：密闭条件下，将氧化石墨烯在温度不低于100℃的水与水蒸气的体系中反应即可。

优选的，上述方法中，所述温度为100～200℃。

进一步的，上述方法中，所述温度为105～130℃。

再进一步的，上述方法中，所述温度为121～130℃。

更进一步的，上述方法中，所述温度为121℃。

优选的，上述方法中，所述水与水蒸气体系为饱和水蒸气体系。

优选的，上述方法中，反应时间不低于20min。

进一步的，上述方法中，反应时间20～240min。

更进一步的，上述方法中，反应时间为120min。

优选的，上述方法中，反应pH值为3～13。

进一步的，上述方法中，反应pH值为9～13。

更进一步的，上述方法中，反应pH值为11。

本发明反应结束后，得到悬浊液，过滤即可得到还原后的产品。

本领域的技术人员公知，在密闭条件下，为了让体系温度升高到100℃及以上，需要加压控制压力与温度相对应才行，所以，本发明控制了体系温度相当于已经控制了相应的压力(该压力为相应温度对应的饱和蒸汽压或以上的压力)。优选反应体系为饱和水蒸气体系，即水与水蒸气的相互转换到达一个动态平衡的情况。

本发明开发了一种将氧化石墨烯在一定压力一定温度的水与水蒸气辅助下完成还原的方法。该方法简单有效，只要将氧化石墨烯在温度不低于100℃的水与水蒸气体系中反应即可还原氧化石墨烯。优选的，为了能够达到还原氧化石墨烯的效果，又降低反应能耗，控制温度为100～200℃。更优选的，温度为105～130℃。更进一步的，温度为121～130℃。最优选的，温度为121℃。

经研究发现，本发明控制pH在3～13之间反应均可发生，随pH升高还原效率逐渐升高，约在pH＝11左右达到平台期。由于不外加调节pH的物质时，体系处于中性。所以，本发明可不用严格限定pH值。优选为碱性条件，pH值为9～13。更优选的，pH值为11。

由于本发明所要控制的反应条件温度不低于100℃，所以，本发明不用严格控制所使用的容器，任何能耐100℃及其以上温度、以及温度100℃以上相对应的压力的反应容器均可，比如反应釜、反应炉、锅炉、灭菌锅、带塞的灭菌瓶等。考虑到成本和便利性，优选高温高压灭菌锅。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料而理论上的石墨烯是六边形蜂窝状排列的碳原子组成的分子，理论上的石墨烯没有氧原子。本发明对氧化石墨烯进行还原，氧原子多少代表还原程度，C/O比也用来衡量还原程度。

本发明方法对氧化石墨烯还原后得到的产品表征数据见图1、2、3。

图1为氧化石墨烯与被还原后的氧化石墨烯的XRD图谱：

横坐标为峰位(即衍射峰的2θ位置，代表衍射角)，纵坐标为峰高。如图1可见，三组还原后的氧化石墨烯样本中，代表晶体的峰都消失不见，证明还原反应确实发生。

图2为氧化石墨烯与被还原后的氧化石墨烯的红外图谱：

横坐标为波数，纵坐标为透射率。如图2可见，氧化石墨烯中含有多种官能团：1300～1000cm^-1处的C-O伸缩振动峰(代表醇和酚)、1270～1230cm^-1处的Ar-O峰(代表芳香醚)、1750～1700cm^-1处的C＝O伸缩吸收峰，2820cm^-1～2720cm^-1处的醛基C-O伸缩峰(代表醛)，1720～1706cm^-1处的C＝O伸缩吸收峰，1320～1210cm^-1处的C-O伸缩吸收峰(代表羧酸)，3300～2500cm^-1处宽而强的O-H伸缩吸收(代表羧酸二聚体)。

在三组还原后的氧化石墨烯样本中，这些含氧官能团的吸收峰均有不同程度的明显降低，其中又以羧基的减少最为明显，从而说明了含氧量确实减少了。

图3为氧化石墨烯与被还原后的氧化石墨烯的XPS图：

横坐标为键能(eV)，纵坐标为强度。如图3可见，三组还原后的氧化石墨烯样本中，均有不同程度的明显还原，C-O单键(286.7eV)和C＝O双键(287.9eV)明显降低。三组之间比较，碱性缓冲液中的还原效果优于酸性条件，分析原因可能是还原过程中伴随着脱羧，碱性缓冲液吸收反应中产生的CO₂推动平衡向右移动。

同时，通过氧化石墨烯与被还原后的氧化石墨烯的AFM图比较，在视野为10*10μm放大图像中，石墨烯的理论分子厚度为0.34nm，还原测得所得大约在0.4～0.6之间。还原后最厚和最薄处的差值(从1.77nm降至0.91nm)被认为是1～2层分子厚度。可以看到氧化石墨烯在还原后的厚度明显下降，表面更加光滑均匀，呈现为纳米级的片层结构。

试验例1

1)反应温度对反应的影响

在105℃、121℃、130℃对0.5mg/mL的氧化石墨烯在各温度相对应的饱和蒸汽压力下经过高温灭菌锅加热20min，横坐标为键能(eV)，纵坐标为强度，如图4可见每组反应均有不同程度的还原，随着反应温度的升高，还原程度逐渐升高，C-O单键(286.7eV)和C＝O双键(287.9eV)均明显降低，121℃以后变化不明显，见图4。故本发明反应温度为不低于100℃即可，优选为100～200℃。更优选为105～130℃。更进一步优选为121～130℃。最优选为121℃。

2)pH值对反应的影响

调节氧化石墨烯至pH＝3.551、7.016、11.007，在温度为120℃，压力为0.2mPa下高温灭菌锅加热20min，检测pH值对反应的影响。横坐标为波长(nm)，纵坐标为吸光度，结果显示，见图5，无论在酸性、中性、碱性条件下均对氧化石墨烯进行了还原，进一步的，碱性组的还原效率明显优于中性组，酸性组较差，分析原因可能是与还原过程中的脱羧会释放二氧化碳，被碱性液体吸收从而推动化学平衡移动有关。

同时，又对pH＝11.007左右的碱性条件进一步摸索，设定了pH＝9.041、9.917、11.007、11.943、12.940五个值，在温度为120℃，压力为0.2mPa下高温灭菌锅加热20min，检测pH值对反应的影响。横坐标为波长，纵坐标为吸光度，结果显示还原效率随pH上升而增强，平台期在pH＝11左右，见图6。

综上可知，可不用严格控制pH值，一般控制pH为3～13。优选pH为9～13。更优选pH值为11。

3)反应时间对反应的影响

对0.5mg/mL氧化石墨烯在pH为11.007、温度为121℃、压力为0.23MPa下经过高温灭菌锅加热，设置时间为t＝20min、1h、2h、4h对氧化石墨烯的还原效率进行实验。结果显示：横坐标为波长，纵坐标为吸光度，氧化石墨烯的还原效率(表现为C/O比)随时间增长而增加，但在120min时达到平台，之后提高不显著，详见图7。

综上，以C/O比例为还原标准，经过研究发现：当控制温度不低于100℃时就能够对氧化石墨烯进行还原。优选的，为了能够达到还原氧化石墨烯的效果，又降低反应能耗，控制温度为100～200℃。更优选的，温度为105～130℃。更进一步优选的，温度为121～130℃。最优选的，温度为121℃。考虑到还原效率等原因，控制反应时间为不低于20min。优选20～240min。更优选为120min。

实施例1

将氧化石墨烯在105℃、0.23MPa、pH为11的水蒸气条件下反应2h，过滤即得还原后的产品。经检测发现所得产品中C/O＝4.62。还原前氧化石墨烯的C/O＝2.81，那么本实施例的还原率为39.2％。

实施例2

将氧化石墨烯在130℃、0.3MPa、pH为11的水蒸气条件下反应2h，过滤即得还原后的产品。经检测发现所得产品中C/O＝8.60。还原前氧化石墨烯的C/O＝2.81，那么本实施例的还原率67.3％。

实施例3

将氧化石墨烯在121℃、0.23MPa、pH为11的水蒸气条件下反应2h，过滤即得还原后的产品。经检测发现所得产品中C/O＝8.00。还原前氧化石墨烯的C/O＝2.81，那么本实施例的还原率64.9％。

对照例1

将重量比为0.05％的氧化石墨烯，于50℃水中超声60min，稀释1倍后与1-甲基-2-吡咯烷酮互溶，使混合物在205℃下反应，通入脱氧流动氩气24h，氧化铝膜过滤，离心，上清液在密闭的管式炉的氩气流下，于205℃、500℃、1000℃下退火，即得到还原后的产品。经检测发现C/O比分别为：5.15、6.03、6.17。

试验例1

在96孔板中配制100mL的鼠L929成纤维细胞悬液，将培养板在培养箱预培养24h(在37℃，5％CO₂的条件下)，向培养板不同副孔分别加入10mL不同浓度的还原后的氧化石墨烯、氧化石墨烯，将培养板在培养箱孵育72h，向每孔加入10mLCCK-8溶液，将培养板在培养箱内孵育2h，用酶标仪测定在450nm处的吸光度。

结果显示：还原后的氧化石墨烯在20μg/mL以下几乎无细胞毒性，与氧化石墨烯相符，且在还原过程中并未出现增加细胞毒性的变化。

综上可知，本发明氧化石墨烯的还原方法可以方便、快捷、无污染地对氧化石墨烯进行还原，同时还原率高，所得还原后的产品无细胞毒性。所以，本发明为氧化石墨烯的还原提供了一条更为有效的方法。

Claims (5)

1.一种氧化石墨烯的还原方法，其特征在于：密闭条件下，将氧化石墨烯在温度为105～130℃的水与水蒸气的体系中反应20～120min即可。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述温度为121～130℃。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述温度为121℃。

4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于：所述水与水蒸气的体系为饱和水蒸气体系。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反应时间为120min。