CN107601488A - 一种氧化石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种氧化石墨烯的制备方法，涉及材料制备技术领域。其中，该方法包括：将含碳的碳源作为阳极，导电材料作为阴极置于电解液水中，对阳极和阴极通直流电3分钟以上得到氧化石墨烯的溶液，对所述氧化石墨烯的溶液进行干燥处理，得到所述氧化石墨烯。该制备氧化石墨烯的方法中使用水作为电解液，无污染，且氧化石墨烯在溶液中分散液较好，杂质少不需要纯化，制备过程简单。

Description

一种氧化石墨烯的制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种六角形蜂巢结构的二维碳材料，具有优良的导电性106Ω^-1cm^-1(每欧姆每厘米)、高载荷子运动速度2.0×10⁵cm²V^-1s^-1(平方厘米每伏每秒)、高理论比表面积2630m²g^-1(平方米每克)、优异的力学性能(杨氏模量1TPa(特帕)以及高热导性大约为5000Wm^-1K^-1(瓦每米每度)等优良性能。由于上述性能，石墨烯在电子学、光学透明电极、化学催化、燃料电池、气体储藏、建筑、金属防腐等领域引起了广泛的关注。氧化石墨烯(graphene oxide，GO)是石墨烯的衍生物之一，结构与石墨烯相似，只是在其底部平面或者边缘的碳原子链接有含氧官能团(-OH、C-O-C、C＝O以及-COOH等)。由于含氧功能团的存在，GO很容易分散在有机溶剂和水等不同的基体中。例如，GO可与聚合物或陶瓷基体结合增强机械和电性能。

目前，GO常用的制备方法包括两种，一种是将石墨在强酸和强氧化剂(比如浓硝酸、王水、浓硫酸等)的作用下形成一阶的石墨层间化合物，然后将此层间化合物在过量强氧化剂(比如高氯酸钾、高锰酸钾、双氧水)的作用下继续发生深度液相氧化反应，水解后得到氧化石墨，以及通过过滤水洗的方式去除酸或者盐的杂质之后，超声或者长时间搅拌氧化石墨和水的混合物即可获得GO材料。另外一种是电化学方法，即将石墨作为阳极，以强酸(过氯酸、硫酸或硝酸)、强碱(NaOH)或者硫酸盐(Na₂SO₄、K₂SO₄、(NH₄)₂SO₄)等无机盐为电解液，通电一段时间后便得到GO的悬浮溶液。

但是，GO的化学制备方法在制备过程中会存在生成有害气体、工艺因素较多、以及制备过程的工艺复杂等问题。电化学方法制备的GO材料中一般会残留强酸或硫酸盐，若应用于混凝土领域，会对混凝土或钢筋造成腐蚀，进而影响混凝土的安全性和耐久性。因此，电化学制备的GO材料需要冲洗与纯化，GO的纯化过程非常复杂，在整个生产流程中费时最多、成本最高。

发明内容

本发明提供一种氧化石墨烯的制备方法，旨在解决现有的化学制备方法中，会出现生成有害气体，工艺因素较多，以及制备过程的工艺复杂等问题，以及现有的电化学制备方法中，残留强酸或硫酸盐造成腐蚀和纯化过程复杂的问题。

本发明提供的一种氧化石墨烯的制备方法，包括：

将含碳的碳源作为阳极，导电材料作为阴极置于电解液水中；

对所述阳极和所述阴极通直流电3分钟以上得到所述氧化石墨烯的溶液；

对所述氧化石墨烯的溶液进行干燥处理，得到所述氧化石墨烯。

本发明提供的一种氧化石墨烯的制备方法，该制备氧化石墨烯的方法中使用水作为电解液，无污染，且氧化石墨烯在溶液中分散液较好，杂质少不需要纯化，制备过程简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1是本发明提供的一种氧化石墨烯的制备装置的示意图；

图2是本发明实施例1提供的在制备完成后得到的氧化石墨烯的溶液的示意图；

图3是本发明实施例1提供的氧化石墨烯的扫描电镜图；

图4是本发明实施例1提供的氧化石墨烯的透射电镜图；

图5是本发明实施例1提供的氧化石墨烯的另一透射电镜图；

图6是本发明实施例1提供的氧化石墨烯的紫外光谱测试图；

图7是本发明实施例3提供的氧化石墨烯的拉曼测试图；

图8为本发明实施例3制备得到的氧化石墨烯的紫外光谱图；

图9为本发明实施例4制备得到的氧化石墨烯的紫外光谱图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种氧化石墨烯的制备方法，该方法主要包括以下步骤：

将含碳的碳源作为阳极，导电材料作为阴极置于电解液水中；

对阳极和阴极通直流电3分钟以上得到氧化石墨烯的溶液；

对氧化石墨烯的溶液进行干燥处理，得到氧化石墨烯。

本发明提供一种氧化石墨烯的制备方法，如图1所示，图1为制备氧化石墨烯的装置，利用水作为电解液，通直流电时，水分子被电离为氢离子和氢氧根离子，在外加电场的作用下，带负电的氢氧根离子向阳极移动，进入阳极中的氢氧根离子将从阳极中拉出石墨层，在电解液中得到单层或多层的氧化石墨烯。没有进入阳极的氢氧根离子在阳极附近失去电子被氧化产生少量的氧气。如图2所示为包含氧化石墨烯的电解液。对电解液进行过滤和干燥，得到黑色的物质，并对黑色物质进行扫描电镜和透射电镜测试，如图3、图4和图5所示，物质呈片状，大小不同。对物质进行紫外光谱测试和拉曼测试，如图6和图7所示，在紫外光谱测试图中，在230nm(纳米)处存在峰，拉曼测试图中，在1300cm^-1(每厘米)和1600cm^-1处均有峰出现，证实该物质为氧化石墨烯。上述制备氧化石墨烯的方法中使用水作为电解液，无污染，且氧化石墨烯在溶液中分散液较好，杂质少不需要纯化，制备过程简单。

具体的，电解水为自来水、去离子水或蒸馏水。阳极为碳纤维复合材料(CarbonFiber Reinforced Polymer，CFRP)布/板、碳纤维(Carbon Fiber，CF)布/板或石墨等其他含碳的材料。阴极为但不限于铂、钛、铁或石墨等导电材料。在实际应用中，阴极可以是任何导电的物质。直流电的电流为0.5～500毫安。在应用时，阳极连接直流电源的正极，阴极连接直流电源的负极。

进一步的，对氧化石墨烯的溶液进行干燥之前还可以进行过滤或离心等处理。

优选地，阳极和所述阴极的距离为1-100cm(厘米)。在实际应用中，可以通过控制阴极和阳极的距离、直流电流的大小、阳极材料的种类来控制氧化石墨烯的氧化程度。

需要说明的是，由于在阳极附近产生的氧气对阳极材料进行刻蚀，会产生少量纳米碳洋葱，本发明所采用的方法制备得到的产物包含了氧化石墨烯和高氧化的碳洋葱，不会使电解液出现污染物。需要说明的是，将制备得到的产物应用于混凝土等材料中时，碳洋葱不会对混凝土之类的性能造成不利影响，不需要对氧化石墨烯进行提纯。

优选地，阳极的面积为5～1000cm²(平方厘米)，阴极的面积为5～1000cm²，阳极和阴极之间的距离为1～100cm。需要说明的是，阳极和阴极之间的距离可以影响制备得到的氧化石墨烯的氧化程度和含量，其中，对于相同面积的阳极和阴极，阳极和阴极的距离越近，氧化程度越低，氧化石墨烯的含量越高；阳极和阴极的距离越远，氧化程度越高，氧化石墨烯的含量越低。在实际应用中，阳极和阴极的距离还与阳极和阴极的面积相关，阳极和阴极的面积越大，制备相同百分比的氧化石墨烯所需的阳极和阴极的距离越大。

实施例1

将10cm²的石墨作为阳极，15cm²的不锈钢片作为阴极置于电解液自来水中，石墨和不锈钢片的距离为5cm；

将石墨连接直流电源正极，不锈钢片连接直流电源的负极，在直流电流4、20和30毫安，通电时间为5天的条件下，得到氧化石墨烯的溶液；

对氧化石墨烯的溶液进行过滤、干燥，得到氧化石墨烯。

其中，请参照图2、图3、图4、图5和图6，图2为实施例1制备得到的氧化石墨烯的溶液，对图2中的氧化石墨烯溶液过滤、干燥后进行扫描电镜、透射电镜观察和紫外光谱测试，如图3到图6所示，图3、图4和图5显示出了氧化石墨烯的微观形貌，图6示出了紫外光谱测试图，由图6可知，在230nm处出现峰，表明产物为氧化石墨烯。

实施例2

将150cm²的CFRP布作为阳极，15cm²的不锈钢片作为阴极置于电解液自来水中，碳纤维和石墨的距离为5cm；

将CFRP布连接直流电源正极，不锈钢片连接直流电源的负极，在直流电流10毫安，通电时间为5天的条件下，得到氧化石墨烯的溶液；

对氧化石墨烯的溶液进行过滤、干燥，得到氧化石墨烯。

实施例3

将150cm²的碳纤维布作为阳极，15cm²的不锈钢片作为阴极置于电解液自来水中，CFRP布和不锈钢片的距离为2cm；

将碳纤维布连接直流电源正极，不锈钢片连接直流电源的负极，在直流电流4、10、20和30毫安，通电时间为3天的条件下，得到氧化石墨烯的溶液；

对氧化石墨烯的溶液进行过滤、干燥，得到氧化石墨烯。

实施例4

将150cm²的碳纤维布作为阳极，15cm²的不锈钢片作为阴极置于电解液自来水中，CFRP布和不锈钢片的距离为5cm；

将碳纤维布连接直流电源正极，不锈钢片连接直流电源的负极，在直流电流4、10、20和30毫安，通电时间为3天的条件下，得到氧化石墨烯的溶液；

对氧化石墨烯的溶液进行过滤、干燥，得到氧化石墨烯。

所得氧化石墨烯的拉曼谱和紫外谱如图7、图8和图9所示，图8和图9分别为实施例3和实施例4制备得到的氧化石墨烯的紫外光谱图。其中，图8和图9的紫外光谱有很大的区别，在图8所示的紫外光谱图中，在200nm处有个小峰，为高氧化的纳米碳洋葱，在230nm处有个大峰为低氧化的氧化石墨烯，但总体上产物以230nm处的氧化石墨烯为主。在图9所示的紫外光谱图中，200nm与230nm之间成了一个坡状，说明生成的氧化石墨烯的氧化程度和片层大小位于二者之间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将含碳的碳源作为阳极，导电材料作为阴极置于电解液水中；

对所述阳极和所述阴极通直流电3分钟以上得到所述氧化石墨烯的溶液；

对所述氧化石墨烯的溶液进行干燥处理，得到所述氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解水为自来水、去离子水或蒸馏水。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极为碳纤维增强复合材料布/板、碳纤维布/板或石墨。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极为铂、钛、铁或石墨。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电的电流为0.5～500毫安。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极的面积为5～1000平方厘米，所述阴极的面积为5～1000平方厘米。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阳极和所述阴极的距离为1～100厘米。