CN105314623A - 一种石墨烯的合成方法 - Google Patents

Abstract

<b>一种石墨烯的合成方法属于化工合成方法技术领域，尤其涉及一种石墨烯的合成方法。本发明提供一种简便、产品产量大的石墨烯的合成方法。本发明采用以下步骤。</b><b>1</b><b>）在冰水浴中装配好反应瓶，加入浓硫酸，磁力搅拌下加入石墨粉和硝酸钠的固体混合物，再缓慢加入高锰酸钾，控制反应温度，在冰浴条件下搅拌后取出，在室温下搅拌反应；</b><b>2</b><b>）用</b><b>H2SO4</b><b>溶液进行稀释，搅拌后，加入</b><b>H₂O₂</b><b>，溶液变成亮黄色，搅拌反应离心；</b><b>3</b><b>）用</b><b>H2SO4</b><b>、</b><b>H₂O₂</b><b>混合溶液以及</b><b>HCl</b><b>反复洗涤、最后用蒸馏水洗涤几次，得到的黄褐色沉淀即为氧化石墨。</b>

Description

一种石墨烯的合成方法

技术领域

本发明属于化工合成方法技术领域，尤其涉及一种石墨烯的合成方法。

背景技术

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。

石墨烯深层研究工作的开展基于单层样品的成功制备。因此，石墨烯的高效制备成为人们广泛关注的重要课题。目前，石墨烯的制备主要有机械剥离、外延生长、取向附生法和化学法制备4 种方法。机械剥离法是通过机械力从体相石墨晶体的表面剥离出石墨烯片的方法。Geim等已于2004 年，采用微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离出单层石墨烯。此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制备大量的大尺寸的石墨烯。外延生长法是通过加热单晶6H-SiC 脱除Si，在单晶SiC面上分解出石墨烯片层。Berge 等已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。但该法要求氧等气体刻蚀，以及高温高真空条件下完成。取向附生法则是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯。Peter 等使用金属钌为基质，已成功得到单层石墨烯，但是该方法制备的石墨烯往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的相互作用会影响石墨烯的特性。相比而言，前3 种方法虽然能获得较高质量的石墨烯，但它们因制备效率低或因反应条件苛刻而不利于大规模的制备。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种简便、产品产量大的石墨烯的合成方法。

为实现上述目的，本发明采用以下步骤。

1）在冰水浴中装配好反应瓶，加入浓硫酸，磁力搅拌下加入石墨粉和硝酸钠的固体混合物，再缓慢加入高锰酸钾，控制反应温度，在冰浴条件下搅拌后取出，在室温下搅拌反应。

2）用H2SO4溶液进行稀释，搅拌后，加入H₂O₂，溶液变成亮黄色，搅拌反应离心。

3）用H2SO4、H₂O₂混合溶液以及HCl反复洗涤、最后用蒸馏水洗涤几次，得到的黄褐色沉淀即为氧化石墨。

4）最后将在真空干燥箱中充分干燥，将获得的氧化石墨入去离子水中，超声约，沉淀过夜，取上层液离心清洗后放入烘箱内干燥，即得片层较薄的氧化石墨烯。

作为一种优选方案，本发明所述步骤1）控制反应温度不超过10 ℃，在冰浴条件下搅拌2 h后取出；所述步骤2）用质量分数5 %的H2SO4溶液进行稀释，搅拌2 h后，加入H2O2，溶液变成亮黄色，搅拌反应2 h离心；所述步骤3）最后用蒸馏水洗涤几次，使其pH=7；所述步骤4）在40 ℃的真空干燥箱中充分干燥，将获得的氧化石墨入去离子水中，60 W功率超声3h，沉淀过夜，取上层液离心清洗后放入烘箱内40 ℃干燥。

作为另一种优选方案，本发明称取氧化石墨烯溶于去离子水中，超声数小时后使其完全分散，加入水合肼，95 ℃水浴中搅拌反应5 h，溶液由黄褐色变为黑色，将样品过滤，用三氯甲烷洗涤3次，室温下充分干燥。

本发明有益效果。

本发明经过超声处理，使用水合肼还原制得的石墨烯。其合成方法简便、产品产量大。

本发明合成的石墨烯采用超声振荡剥离，易获得具有少量褶皱的单层和较少层数的石墨烯。

具体实施方式

本发明采用以下步骤。

1）在冰水浴中装配好反应瓶，加入浓硫酸，磁力搅拌下加入石墨粉和硝酸钠的固体混合物，再缓慢加入高锰酸钾，控制反应温度，在冰浴条件下搅拌后取出，在室温下搅拌反应。

2）用H2SO4溶液进行稀释，搅拌后，加入H₂O₂，溶液变成亮黄色，搅拌反应离心。

3）用H2SO4、H₂O₂混合溶液以及HCl反复洗涤、最后用蒸馏水洗涤几次，得到的黄褐色沉淀即为氧化石墨。

4）最后将在真空干燥箱中充分干燥，将获得的氧化石墨入去离子水中，超声约，沉淀过夜，取上层液离心清洗后放入烘箱内干燥，即得片层较薄的氧化石墨烯。

所述步骤1）控制反应温度不超过10 ℃，在冰浴条件下搅拌2 h后取出；所述步骤2）用质量分数5 %的H2SO4溶液进行稀释，搅拌2 h后，加入H2O2，溶液变成亮黄色，搅拌反应2 h离心；所述步骤3）最后用蒸馏水洗涤几次，使其pH=7；所述步骤4）在40 ℃的真空干燥箱中充分干燥，将获得的氧化石墨入去离子水中，60 W功率超声3h，沉淀过夜，取上层液离心清洗后放入烘箱内40 ℃干燥。

本发明称取氧化石墨烯溶于去离子水中，超声数小时后使其完全分散，加入水合肼，95 ℃水浴中搅拌反应5 h，溶液由黄褐色变为黑色，将样品过滤，用三氯甲烷洗涤3次，室温下充分干燥。

利用TEM 分析所获得石墨烯样品的形貌。整体上石墨烯形貌是卷曲的片状，出现的大量褶皱起伏的片层结构，是为了减少体系的自由能。在TEM 照片中，不能精确地表征石墨纳米薄片的厚度，但可以从片层翘起的边缘和突起褶皱的宽度，估测片层的厚度。

样品层数较厚，是几层叠加的结果。通过对实验样品形貌分析，我们得到通过合理调节超声波振荡参数，获得了单层以及层数较少的石墨烯。

石墨晶体在1620 cm^{− 1}处有一个sp2 结构的C=C伸缩振动峰，这也是石墨的标志峰。曲线存在一系列的红外吸收峰。表明石墨经氧化后，极性显著增多。吸收峰在857 cm^{− 1} 附近为环氧基的特征吸收峰；在1075 cm^{− 1} 处出现的吸收峰归属于C—O—C的振动吸收峰；1627 cm^{− 1}处对应于水分子的变形振动吸收峰，说明氧化石墨虽然被充分干燥，但仍然存在水分子，这与氧化石墨不可能完全干燥相吻合；1720 cm^{− 1}处的吸收峰归属于氧化石墨羧基上的C=O的伸缩振动峰；在3100～3 700 cm^{− 1}范围内出现一个较宽、较强的吸收峰，这是—OH的伸缩振动峰，氧化石墨中残存的水分子对该吸收峰也有影响。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (3)

1.一种石墨烯的合成方法，其特征在于采用以下步骤：

1 ）在冰水浴中装配好反应瓶，加入浓硫酸，磁力搅拌下加入石墨粉和硝酸钠的固体混合物，再缓慢加入高锰酸钾，控制反应温度，在冰浴条件下搅拌后取出，在室温下搅拌反应；

2 ）用 H2SO4 溶液进行稀释，搅拌后，加入 H₂O₂ ，溶液变成亮黄色，搅拌反应离心；

3 ）用 H2SO4 、 H₂O₂ 混合溶液以及 HCl 反复洗涤、最后用蒸馏水洗涤几次，得到的黄褐色沉淀即为氧化石墨；

4 ）最后将在真空干燥箱中充分干燥，将获得的氧化石墨入去离子水中，超声约，沉淀过夜，取上层液离心清洗后放入烘箱内干燥，即得片层较薄的氧化石墨烯。

2.根据权利要求 1 所述一种石墨烯的合成方法，其特征在于所述步骤 1 ）控制反应温度不超过 10 ℃，在冰浴条件下搅拌 2 h 后取出；所述步骤 2 ）用质量分数 5 % 的 H2SO4 溶液进行稀释，搅拌 2 h 后，加入 H2O2 ，溶液变成亮黄色，搅拌反应 2 h 离心；所述步骤 3 ）最后用蒸馏水洗涤几次，使其 pH=7 ；所述步骤 4 ）在 40 ℃的真空干燥箱中充分干燥，将获得的氧化石墨入去离子水中， 60 W 功率超声 3h ，沉淀过夜，取上层液离心清洗后放入烘箱内 40 ℃干燥。

3.根据权利要求 1 所述一种石墨烯的合成方法，其特征在于称取氧化石墨烯溶于去离子水中，超声数小时后使其完全分散，加入水合肼， 95 ℃水浴中搅拌反应 5 h ，溶液由黄褐色变为黑色，将样品过滤，用三氯甲烷洗涤 3 次，室温下充分干燥。