CN108439371A - 一种三维(3d)石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种石墨烯的制备方法，其中方法包括步骤：1、用一步水热法来制备石墨烯（GO）水凝胶；2、称取GO 0.15 g，超声分散于15 mL去离子水中，得到10 mg/mL GO分散液；3、将其置于高压反应釜中，180 ℃反应12 h；4、将得到的复合水凝胶置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h；5、将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。本发明采用鳞片石墨、浓磷酸、浓硫酸和高锰酸钾为原料先制备氧化石墨烯，原料成本低廉易得；且一步水热法方法简单；制备条件要求不高，成本低，所得石墨烯品质优良。

Description

一种三维(3D)石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯材料的制备领域，特别涉及一种新型优化方法制备3D石墨烯。
背景技术
石墨烯是一种由sp2杂化碳构建的蜂窝状二维（Two Dimensional，2D）平面晶体材料，其首次被发现是通过机械剥离的方法得到。3D石墨烯是指石墨烯片层之间首尾相连形成具有一定空间框架结构的三维材料，又称为石墨烯泡沫（foam）、海绵（sponge）或凝胶（aerogel），这种三维网络结构既防止了片层之间的堆栈，又产生了大量的多层次孔道，非常有利于传质、吸附和负载。
水热法又称高压溶液法，是利用高温高压的水溶液使不溶或难溶于水的物质生成该物质的溶解产物，并达到一定的过饱和度而进行结晶和生长的方法。且一步水热法方法简单；制备条件要求不高，成本低，所得石墨烯品质优良。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备3D石墨烯的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种制备3D石墨烯的方法，其特征在于，包括：
第一步：氧化石墨烯的制备；称取定量鳞片石墨和高锰酸钾；用量筒量取13ml浓鳞酸和120ml浓硫酸；将浓磷酸和浓硫酸混合倒入250ml的三口烧瓶中，再将鳞片石墨、高锰酸钾倒入液体中，开始搅拌，在50℃的水浴温度下反应10-12小时；在1L的烧杯中放入冰块，将上述反应液体倒入烧杯中，再加入30%的双氧水，可以观察到溶液变化（由黑色变为黄色）；将上述溶液置于通风橱中静置一夜；离心，再用蒸馏水，乙醇多次清洗并离心；将固体倒入培养皿中，置于通风橱自然晾干，得到氧化石墨烯；
第二步：氧化石墨烯溶胶的制备；称取GO 0.15 g，超声分散于15 mL去离子水中，得到10 mg/mL GO分散液；
第三步：三维还原氧化石墨烯的制备；接着用一步水热法来制备石墨烯，将所制备的氧化石墨烯溶胶放于到内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，然后置于高压反应釜中，在不同的温度下（140,160,180,200,220）反应12 h，反应结束后冷却至室温，取出样品，将得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；然后，置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h，将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。
与现有技术相比，上述技术方案所具备的有点：制备条件要求不高，成本低，所得石墨烯品质优良。
附图说明
图1为GO制备流程图。
图2为普通石墨烯和实施例3中制备的3D石墨烯（GO）的SEM图。
图3为原料鳞片石墨、制备的GO和实施例3中制备的3D石墨烯（GO）的XRD图。
具体实施方式
本发明提供的石墨烯的制备方法，如图 1 所示，其工艺流程步骤如下。
S1、氧化石墨烯的制备；称取定量鳞片石墨和高锰酸钾；用量筒量取13ml浓鳞酸和120ml浓硫酸；将浓磷酸和浓硫酸混合倒入250ml的三口烧瓶中，再将鳞片石墨、高锰酸钾倒入液体中，开始搅拌，在50℃的水浴温度下反应10-12小时；在1L的烧杯中放入冰块，将上述反应液体倒入烧杯中，再加入30%的双氧水，可以观察到溶液变化（由黑色变为黄色）；将上述溶液置于通风橱中静置一夜；离心，再用蒸馏水，乙醇多次清洗并离心；将固体倒入培养皿中，置于通风橱自然晾干，得到氧化石墨烯。
S2、将步骤S1得到的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯溶胶；称取GO 0.15 g，超声分散于15 mL去离子水中，得到10 mg/mL GO分散液。
S3、接着用一步水热法来制备石墨烯，将所制备的氧化石墨烯溶胶放于到内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，然后置于高压反应釜中，在不同的温度下（140,160,180,200,220）反应12 h，反应结束后冷却至室温，取出样品，将得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；然后，置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h，将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
（1）、氧化石墨烯的制备；称取定量鳞片石墨和高锰酸钾；用量筒量取13ml浓鳞酸和120ml浓硫酸；将浓磷酸和浓硫酸混合倒入250ml的三口烧瓶中，再将鳞片石墨、高锰酸钾倒入液体中，开始搅拌，在50℃的水浴温度下反应10-12小时；在1L的烧杯中放入冰块，将上述反应液体倒入烧杯中，再加入30%的双氧水，可以观察到溶液变化（由黑色变为黄色）；将上述溶液置于通风橱中静置一夜；离心，再用蒸馏水，乙醇多次清洗并离心；将固体倒入培养皿中，置于通风橱自然晾干，得到氧化石墨烯；
（2）、将得到的氧化石墨烯配置成氧化石墨烯溶胶；称取GO 0.15 g，超声分散于15 mL去离子水中，得到10 mg/mL GO分散液；
（3）、将所制备的10 mg/mL GO分散液放于到内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，然后置于高压反应釜中，在140℃的温度下反应12 h，反应结束后冷却至室温，取出样品，将得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；
（4）、然后，置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h，将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。
实例2
（1）氧化石墨烯的制备同实例1（1）；
（2）氧化石墨烯溶胶的制备同实例1（2）；
（3）将所制备的10 mg/mL GO分散液放于到内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，然后置于高压反应釜中，在160℃的温度下反应12 h，反应结束后冷却至室温，取出样品，将得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；
（4）然后，置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h，将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。
实例3
（1）氧化石墨烯的制备同实例1（1）；
（2）氧化石墨烯溶胶的制备同实例1（2）；
（3）将所制备的10 mg/mL GO分散液放于到内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，然后置于高压反应釜中，在180℃的温度下反应12 h，反应结束后冷却至室温，取出样品，将得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；
（4）然后，置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h，将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。
实例4
（1）氧化石墨烯的制备同实例1（1）；
（2）氧化石墨烯溶胶的制备同实例1（2）；
（3）将所制备的10 mg/mL GO分散液放于到内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，然后置于高压反应釜中，在200℃的温度下反应12 h，反应结束后冷却至室温，取出样品，将得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；
（4）然后，置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h，将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。
实例5
（1）氧化石墨烯的制备同实例1（1）；
（2）氧化石墨烯溶胶的制备同实例1（2）；
（3）将所制备的10 mg/mL GO分散液放于到内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，然后置于高压反应釜中，在200℃的温度下反应12 h，反应结束后冷却至室温，取出样品，将得到三维还原氧化石墨烯水凝胶；
（4）然后，置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h，将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。

Claims (8)

1.一种三维石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将混合浓酸倒入到反应容器中，然后将鳞片石墨、高锰酸钾加入其中，并在水浴条件下进行反应；
（2）将反应液倒入带有冰块的烧杯中，再加入双氧水还原体系中过量的高锰酸钾，得到氧化石墨混合液，并用水和乙醇洗涤所得固体，晾干后即为GO固体；
（3）配制GO水溶液，置于水热反应釜中进行高温反应，得到GO复合水凝胶；
（4）将GO复合水凝胶冷冻干燥后置于管式炉中高温煅烧，得到三维石墨烯。
2.如权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（1）中混合酸为浓磷酸和浓硫酸，其体积比为1:10~1:5。
3.如权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（1）中鳞片石墨和高锰酸钾的质量分数为1:6~1:8。
4.如权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的水浴温度为40~60℃，反应时间为10~20h。
5.如权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（2）中所述的干燥条件为：在通风橱中放置过夜，约为12-18h。
6.如权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（2）中还包括将所得的氧化石墨烯在去离子水中超声分散，得到氧化石墨烯凝胶液。
7.如权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（3）和(4)中将石墨烯凝胶液置于高压反应釜，180℃反应12 h，将得到的复合水凝胶置于冷冻干燥器中，冷冻干燥24 h。
8.如权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤（5）中将干凝胶置于管式炉中，氩气氛750 ℃煅烧5 h，最终得到普通三维石墨烯。
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