CN104876219B - 一种常温下简便合成氧化石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

一种常温下简便合成氧化石墨烯的方法，其包括：基于hummers法，采用浓硫酸和高锰酸钾在常温下对石墨粉进行一步法氧化，反应过程采用低功率超声波辅助剥离反应，进而得到氧化的石墨混合溶液；然后将得到的氧化石墨混合溶液在10‑30⁰C的常温下于80‑300W的低功率超声波条件下加入H₂O₂水溶液，直到产品颜色变为亮黄色；接着将得到的产品用体积浓度为1mol/L的HCl溶液洗涤沉积物3次，再用去离子水洗涤至中性，最后透析，即得到氧化石墨烯水溶液。本发明将Hummers法中的低温、中温、高温处理过程简化为简单的常温处理，并使用低功率超声波辅助，操作简单、步骤少、易控制、快捷、成本低。

Description

一种常温下简便合成氧化石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及制备石墨烯的方法，特别是一种常温下简便合成氧化石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种单层原子厚度的新型碳纳米材料，它是sp²杂化碳原子排列成蜂窝状六角平面晶体。石墨烯具有新颖的物理化学特性，如高比表面积、高机械强度、良好的热导率、优异的电子传输能力等，在新材料、电子、航空航天等领域具有良好的应用前景。目前制备石墨烯的方法有化学气相沉积法、氧化石墨还原法、SiC外延生长法、微机械剥离法和电化学法等，其中除了氧化石墨还原法，其他方法都具有工艺复杂且成本高等缺点，因此氧化石墨还原法是制备石墨烯的研究热点。氧化石墨还原法的关键步骤是石墨的氧化程度和剥离程度。目前氧化石墨还原法中石墨的氧化大多数采用Hummers法 [Nina I.Kovtyukhova, Patricia J. Ollivier, Benjamin R. Martin, Thomas E. Mallouk,Sergey A. Chizhik, Eugenia V. Buzaneva, Alexandr D. Gorchinskiy, Chem. Mater,1999,11,771-778]，即先用硫酸和过硫酸钾对石墨在低温（0 ⁰C）下进行预氧化处理，然后在中温（35 ⁰C）条件下进行处理、随后用浓硫酸和高锰酸钾在低温（0 ⁰C）下对石墨进行再次氧化，最后经高温（98 ⁰C）处理后加H₂O₂处理，从而对石墨进行氧化剥离，但是如此处理方法由于操作复杂，且反应条件不好精准控制，从而使得石墨插层效率不是很高，氧化程度也不够，所得到的氧化石墨烯分散液的分散性也不是很好，放置时间长了容易沉积。

总体而言，目前报导的氧化石墨还原法制石墨烯的方法，大多数都需要繁琐的操作步骤，同时石墨氧化剥离阶段需要严格的温度控制，所需成本较高，而且得到的产物由于石墨的插层效率不高，氧化效果不佳，从而不能确保产物良好的分散性，因此开发一种在常温下步骤相对简单的、便捷的、成本低的合成氧化石墨烯的方法是非常有意义和必要的。

发明内容

本发明旨在提供一种常温下简便合成氧化石墨烯的方法，此法操作简单、步骤少、易控制、快捷、成本低，所制备的氧化石墨烯质量可靠。

本发明提供的常温下简便合成氧化石墨烯的方法具体可分为三个步骤实现：

1）、基于hummers法，采用浓硫酸和高锰酸钾在10-30 ⁰C的常温下简便的对石墨粉进行一步法氧化，反应过程采用80-300W的低功率超声波辅助剥离反应，进而得到氧化的石墨混合溶液。

2）、将步骤1）得到的氧化石墨混合溶液在10-30 ⁰C的常温下于80-300W超声条件下加入H₂O₂水溶液，直到产品颜色变为亮黄色。

3）、将步骤2）得到的产品用体积浓度为1mol/L的HCl溶液洗涤沉积物3次，再用去离子水洗涤至中性，最后将所得产品进行透析处理，得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。

本发明中提到的“简便”是指制备氧化石墨烯过程中，在石墨氧化步骤中采用一步法完成，且全过程采用80-300W的低功率超声波柔和的对氧化石墨进行有效均匀剥离，进一步提高其氧化程度。

本发明在加H₂O₂步骤中也采用80-300W的低功率超声波柔和地对氧化石墨进行进一步有效均匀剥离，从图1所示的透射电镜图可以看出，本发明所合成的氧化石墨烯呈透明的褶曲的薄片，由此可见本发明能够得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。由于合成全过程在常温（10-30 ⁰C）下进行，所需能源动力少；采用低功率超声波辅助，所需能源动力亦少，且一步可以完成对石墨的氧化处理，步骤少，操作简单，可节省人力物力，故合成成本较低，易于控制，制备快捷。

本发明将Hummers法中的低温、中温、高温处理过程简化为简单的常温处理过程，大大地简化了Hummers法，有效提高了合成效率，并在反应全过程中采用低功率超声波处理，以此提高石墨的插层效率和氧化程度，使制备的氧化石墨烯质量可靠。

附图说明

图1是运用本发明方法制得的氧化石墨烯透射电镜照片。

具体实施方式

根据权利要求所述的具体步骤如下，旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

实施例1：在洁净的烧瓶中加入0.2 g石墨粉。向烧瓶中加入10 mL浓H₂SO₄，再加入0.8 g KMnO₄，在10 ⁰C下机械搅拌1天，反应全过程采用80 W超声波处理，完成石墨氧化。当混合溶液由深紫绿色变为黑褐色时，在100W超声的条件下，加入50 mL H₂O₂水溶液，进一步进行剥离，直到溶液颜色变为亮黄色时，停止操作。将所得到的产品进行离心处理，沉积物用100 mL 1mol/L的盐酸洗涤3次，再用去离子水洗涤至中性，最后将所得的产品进行透析处理得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。

实施例2：在洁净的烧瓶中加入1 g石墨粉。向烧瓶中加入60 mL浓H₂SO₄，再加入2 gKMnO₄，在20 ⁰C下机械搅拌2天，反应全过程采用100 W超声波处理，完成石墨氧化。当混合溶液由深紫绿色变为黑褐色时，在200W超声的条件下，加入200 mL H₂O₂水溶液，进一步进行剥离，直到溶液颜色变为亮黄色时，停止操作。将所得到的产品进行离心处理，沉积物用300mL 1mol/L的盐酸洗涤3次，再用去离子水洗涤至中性，最后将所得的产品进行透析处理得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。

实施例3：在洁净的烧瓶中加入3 g石墨粉。向烧瓶中加入100 mL浓H₂SO₄，再加入5g KMnO₄，在30 ⁰C下机械搅拌3天，反应全过程采用250 W超声波处理，完成石墨氧化。当混合溶液由深紫绿色变为黑褐色时，在300W超声的条件下，加入300 mL H₂O₂水溶液，进一步进行剥离，直到溶液颜色变为亮黄色时，停止操作。将所得到的产品进行离心处理，沉积物用500mL 1mol/L的盐酸洗涤3次，再用去离子水洗涤至中性，最后将所得的产品进行透析处理得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。

实施例4：在洁净的烧瓶中加入2.5 g石墨粉。向烧瓶中加入85 mL浓H₂SO₄，再加入4g KMnO₄，在30 ⁰C下机械搅拌3天，反应全过程采用200 W超声波处理，完成石墨氧化。当混合溶液由深紫绿色变为黑褐色时，在300W超声的条件下，加入250 mL H₂O₂水溶液，进一步进行剥离，直到溶液颜色变为亮黄色时，停止操作。将所得到的产品进行离心处理，沉积物用450mL 1mol/L的盐酸洗涤3次，再用去离子水洗涤至中性，最后将所得的产品进行透析处理得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。

实施例5：在洁净的烧瓶中加入1.5 g石墨粉。向烧瓶中加入100 mL浓H₂SO₄，再加入3 g KMnO₄，在20 ⁰C下机械搅拌2.5天，反应全过程采用200 W超声波处理，完成石墨氧化。当混合溶液由深紫绿色变为黑褐色时，在200W超声的条件下，加入220 mL H₂O₂水溶液，进一步进行剥离，直到溶液颜色变为亮黄色时，停止操作。将所得到的产品进行离心处理，沉积物用400 mL 1mol/L的盐酸洗涤3次，再用去离子水洗涤至中性，最后将所得的产品进行透析处理得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。

Claims (1)

1.一种常温下简便合成氧化石墨烯的方法，其特征在于包括下列步骤：

1）、基于hummers法，采用浓硫酸和高锰酸钾在10-30 ⁰C的常温下简便的对石墨粉进行一步法氧化，反应过程采用80-300W的低功率超声波辅助剥离反应，进而得到氧化的石墨混合溶液；

2）、将步骤1）得到的氧化石墨混合溶液在10-30 ⁰C的常温下于80-300W的低功率超声波条件下加入H₂O₂水溶液，直到产品颜色变为亮黄色；

3）、将步骤2）得到的产品用体积浓度为1mol/L的HCl溶液洗涤沉积物3次，再用去离子水洗涤至中性，最后将所得产品进行透析处理，得到质量可靠的氧化石墨烯水溶液。