一种羧基化石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯的制备技术领域,涉及对一种羧基化石墨烯制备方法的改进。
背景技术
石墨烯作为一种新兴的碳材料,由于其独特的化学结构、超大的比表面积及无与伦比的电学、力学、热学等性能而在新能源材料(储能材料、超级电容器、太阳能电池等)、光催化材料、生物材料领域掀起了前所未有的研究热潮。在石墨烯的众多制备方法(微机械剥离法,化学剥离法,溶剂热法,SiC表面石墨化法,化学气相沉积法等)中,氧化还原化学剥离法由于其成本低、工艺易控等特点而备受科研工作者的推崇。
石墨烯由于其比表面积大、表面能高的特点,非常容易在溶剂和基体中团聚,致使其本征优良特征的发挥受到极大限制。而功能化石墨烯在最大程度地保留石墨烯本征属性的同时,负载官能化基团,赋予其可调的化学、电学等性能及与其他基体的良好相容性,有效地解决石墨烯本身容易团聚的问题。
专利号CN102433032的专利“可控合成羧基化氧化石墨烯的方法及制得的纳米材料,该方法采用偶氮类引发剂对氧化石墨烯作用,得到氰基改性氧化石墨烯,然后再将其溶于碱的醇溶液中反应,获得羧基化氧化石墨烯,其缺点是:工艺过程复杂,而且采用真空干燥获得的羧基化氧化石墨烯易团聚结硬块。此外,偶氮类引发剂不安全,易爆炸,存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是:提出一种改进的羧基化石墨烯的制备方法,以便通过简单的步骤,得到纯净的、蓬松的羧基化石墨烯粉体。羧基化石墨烯不仅要具有石墨烯本身的优良特征,而且还要改善石墨烯在溶剂中的团聚问题,具有良好的分散性。本发明的另一个目的是避免采用危险性高的原材料,保证生产安全。
本发明的技术方案是:一种羧基化石墨烯的制备方法,其特征在于,制备的步骤如下:
1、制备氧化石墨烯悬浮液:将氧化石墨烯在蒸馏水中超声粉碎,超声功率为600W~900W,超声粉碎时间为30min~60min,得到分散均匀的氧化石墨烯悬浮液,氧化石墨烯悬浮液浓度为1g/L~3g/L;
2、制备石墨烯浑浊液:向氧化石墨烯悬浮液中加入还原剂水合肼,氧化石墨烯与水合肼的质量比为1:1~2,在85℃~95℃的油浴中冷凝回流24h~48h,得到石墨烯浑浊液;
3、制备羧基化石墨烯的前驱体浑浊液:将石墨烯浑浊液降温至70℃~80℃,加入氨基苯基酸与亚硝酸异戊酯的醇溶液,氨基苯基酸为氨基苯基甲酸或氨基苯基乙酸,亚硝酸异戊酯与醇的浓度为0.2g/mL,醇为甲醇或乙醇,氨基苯基酸与氧化石墨烯的摩尔比为1~10:10,亚硝酸异戊酯与氨基苯基酸的摩尔比为1~2:1,然后加入强碱,强碱为氢氧化钾或氢氧化钠,氢氧化钾或氢氧化钠与氨基苯基酸的摩尔比为1.2~1.5:1,在70℃~80℃的油浴中冷凝回流24h~48h,获得羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;
4、制备酸性羧基化石墨烯浑浊液:将石墨烯的前驱体浑浊液用强酸调整pH至5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液,强酸为盐酸或硫酸;
5、制备含水羧基化石墨烯:将酸性羧基化石墨烯浑浊液中的固体物质用去离子水淋洗过滤pH至6~7,得到含水羧基化石墨烯;
6、制备羧基化石墨烯粉体:将含水羧基化石墨烯冷冻干燥5天~7天,冷冻干燥温度从-40℃逐渐上升为20℃,得到羧基化石墨烯粉体。
本发明的优点是:提出了一种改进的羧基化石墨烯的制备方法,能够通过简单的步骤,得到纯净的、蓬松的羧基化石墨烯粉体。制备的羧基化石墨烯不仅具有石墨烯本身的优良特征,而且改善了石墨烯在溶剂中的团聚问题,具有良好的分散性。此外,避免了采用危险性高的原材料,保证了生产安全。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。一种羧基化石墨烯的制备方法,其特征在于,制备的步骤如下:
1、制备氧化石墨烯悬浮液:将氧化石墨烯在蒸馏水中超声粉碎,超声功率为600W~900W,超声粉碎时间为30min~60min,得到分散均匀的氧化石墨烯悬浮液,氧化石墨烯悬浮液浓度为1g/L~3g/L;
2、制备石墨烯浑浊液:向氧化石墨烯悬浮液中加入还原剂水合肼,氧化石墨烯与水合肼的质量比为1:1~2,在85℃~95℃的油浴中冷凝回流24h~48h,得到石墨烯浑浊液;
3、制备羧基化石墨烯的前驱体浑浊液:将石墨烯浑浊液降温至70℃~80℃,加入氨基苯基酸与亚硝酸异戊酯的醇溶液,氨基苯基酸为氨基苯基甲酸或氨基苯基乙酸,亚硝酸异戊酯的醇溶液的浓度为0.2g/mL,醇为甲醇或乙醇,氨基苯基酸与氧化石墨烯的摩尔比为1~10:10,亚硝酸异戊酯与氨基苯基酸的摩尔比为1~2:1,然后加入强碱,强碱为氢氧化钾或氢氧化钠,氢氧化钾或氢氧化钠与氨基苯基酸的摩尔比为1.2~1.5:1,在70℃~80℃的油浴中冷凝回流24h~48h,获得羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;
4、制备酸性羧基化石墨烯浑浊液:将石墨烯的前驱体浑浊液用强酸调整pH至5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液,强酸为盐酸或硫酸;
5、制备含水羧基化石墨烯:将酸性羧基化石墨烯浑浊液中的固体物质用去离子水淋洗过滤pH至6~7,得到含水羧基化石墨烯;
6、制备羧基化石墨烯粉体:将含水羧基化石墨烯冷冻干燥5天~7天,冷冻干燥温度从-40℃逐渐上升为20℃,得到羧基化石墨烯粉体。
为了保证制得高品质的羧基化石墨烯的,在制备氧化石墨烯悬浮液步骤中,所述的氧化石墨烯由氧化还原法制备得到,氧化石墨烯片层厚度在0.5nm~2nm之间。
实施例1:
取1L浓度为1g/L氧化石墨烯溶液,氧化石墨烯片层厚度在0.5nm~2nm之间,超声功率为600W,超声粉碎时间为30min,得到氧化石墨烯悬浮液;向氧化石墨烯悬浮液中加入1.5g水合肼,在85℃油浴中,冷凝回流24h,得到石墨烯浑浊液;将石墨烯浑浊液降温至70℃,向石墨烯浑浊液中加入3g氨基苯基甲酸,12.5mL的浓度为0.2g/mL亚硝酸异戊酯的乙醇溶液,0.832g氢氧化钠,在70℃冷凝回流24h,得到羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;用盐酸调整pH为5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液;将酸性石墨烯的前驱体浑浊液淋洗过滤,调至pH为6~7;冷冻干燥5天,得到羧基化石墨烯粉体。
实施例2:
取1L浓度为2g/L氧化石墨烯溶液,氧化石墨烯片层厚度在0.5nm~2nm之间,超声功率为700W,超声粉碎时间为45min,得到氧化石墨烯悬浮液;向氧化石墨烯悬浮液中加入2.0g水合肼,在90℃油浴中,冷凝回流36h,得到石墨烯浑浊液;将石墨烯浑浊液降温至75℃,向石墨烯浑浊液中加入2g氨基苯基乙酸,10mL的浓度为0.2g/mL亚硝酸异戊酯的甲醇溶液,1.144g氢氧化钾,在75℃冷凝回流36h,得到羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;用盐酸调整pH为5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液;将酸性石墨烯的前驱体浑浊液淋洗过滤,调至pH为6~7;冷冻干燥7天,得到羧基化石墨烯粉体。
实施例3:
取1L浓度为1g/L氧化石墨烯溶液,氧化石墨烯片层厚度在0.5nm~2nm之间,超声功率为800W,超声粉碎时间为60min,得到氧化石墨烯悬浮液;向氧化石墨烯悬浮液中加入2.0g水合肼,在95℃油浴中,冷凝回流48h,得到石墨烯浑浊液;将石墨烯浑浊液降温至80℃,向石墨烯浑浊液中加入4g氨基苯基乙酸,22.5mL的浓度为0.2g/mL亚硝酸异戊酯的乙醇溶液,0.998g氢氧化钠,在80℃冷凝回流48h,得到羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;用硫酸调整pH为5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液;将酸性石墨烯的前驱体浑浊液淋洗过滤,调至pH为6~7;冷冻干燥7天,得到羧基化石墨烯粉体。
实施例4:
取1L浓度为3g/L氧化石墨烯溶液,氧化石墨烯片层厚度在0.5nm~2nm之间,超声功率为900W,超声粉碎时间为30min,得到氧化石墨烯悬浮液;向氧化石墨烯悬浮液中加入3.5g水合肼,在95℃油浴中,冷凝回流36h,得到石墨烯浑浊液;将石墨烯浑浊液降温至75℃,向石墨烯浑浊液中加入6.0g氨基苯基乙酸,27.5mL的浓度为0.2g/mL亚硝酸异戊酯的乙醇溶液,2.220g氢氧化钾,在75℃冷凝回流48h,得到羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;用硫酸调整pH为5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液;将酸性石墨烯的前驱体浑浊液淋洗过滤,调至pH为6~7;冷冻干燥6天,得到羧基化石墨烯粉体。
实施例5:
取1L浓度为1.5g/L氧化石墨烯溶液,氧化石墨烯片层厚度在0.5nm~2nm之间,超声功率为900W,超声粉碎时间为30min,得到氧化石墨烯悬浮液;向氧化石墨烯悬浮液中加入2.0g水合肼,在95℃油浴中,冷凝回流24h,得到石墨烯浑浊液;将石墨烯浑浊液降温至80℃,向石墨烯浑浊液中加入5.0g氨基苯基乙酸,30.0mL的浓度为0.2g/mL亚硝酸异戊酯的乙醇溶液,1.373g氢氧化钠,在80℃冷凝回流24h,得到羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;用硫酸调整pH为5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液;将酸性石墨烯的前驱体浑浊液淋洗过滤,调至pH为6~7;冷冻干燥4天,得到羧基化石墨烯粉体。
实施例6:
取1L浓度为2.5g/L氧化石墨烯溶液,氧化石墨烯片层厚度在0.5nm~2nm之间,超声功率为900W,超声粉碎时间为30min,得到氧化石墨烯悬浮液;向氧化石墨烯悬浮液中加入3.0g水合肼,在85℃油浴中,冷凝回流36h,得到石墨烯浑浊液;将石墨烯浑浊液降温至80℃,向石墨烯浑浊液中加入4.0g氨基苯基乙酸,22.5mL的浓度为0.2g/mL亚硝酸异戊酯的乙醇溶液,1.366g氢氧化钾,在80℃冷凝回流48h,得到羧基化石墨烯的前驱体浑浊液;用硫酸调整pH为5~6得到酸性石墨烯的前驱体浑浊液;将酸性石墨烯的前驱体浑浊液淋洗过滤,调至pH为6~7;冷冻干燥7天,得到羧基化石墨烯粉体。