CN109133044A - 一种水溶性石墨烯材料的制备方法 - Google Patents

一种水溶性石墨烯材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水溶性石墨烯材料的制备方法，以天然石墨粉体为原料，并以高锰酸钾和柠檬酸为剥层试剂，经混合、球磨、热处理剥层步骤后，以去离子水、过氧化氢水溶液和盐酸水溶液去除残余的剥层试剂和副产物，最终获得高质量的水溶性石墨烯材料。通过本方法制得的水溶性石墨烯材料质量优越，水分散性能好，制备方法简单安全，制备周期短，适合大量生产制备。

Description

一种水溶性石墨烯材料的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料技术领域，尤其是一种水溶性石墨烯材料的制备方法。
背景技术
石墨烯材料作为一种新型的二维纳米材料，自从被发现以来，人们发现了石墨烯越来越多的优异性能，比如高强度、高导电性、高传感灵敏度等等。
现有的石墨烯材料制备方法制备周期长，产品水分散性能差，而且反应过程容易出现危险，安全系数低。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水溶性石墨烯材料的制备方法，以天然石墨粉体为原料、高锰酸钾和柠檬酸为剥层试剂，包括如下步骤：
(1)准确称取50～100mg天然石墨粉体、250～500mg高锰酸钾和500～1000mg柠檬酸，加入到5～10ml球磨罐中，球磨处理30～60min，获得紫色混合物；
(2)将步骤(1)获得的紫色混合物转移到坩埚中，100～150℃热处理20～60min，冷却至室温，得到水溶性石墨烯材料粗产品；
(3)将步骤(2)坩埚中的水溶性石墨烯材料粗产品转移到玻璃烧杯中，加入50ml沸腾状态的去离子水，磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液无色透明，洗去残余的高锰酸钾和柠檬酸；
(4)将步骤(3)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加10～30ml过氧化氢水溶液，保持磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，去除残余的高锰酸钾，高速离心获得固体；
(5)将步骤(4)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加10～30ml盐酸水溶液，保持磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，去除残余的锰氧化物，高速离心获得固体；
(6)将步骤(5)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，去除残余的盐酸水溶液，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液酸碱中性；
(7)将步骤(6)高速离心获得的固体冻干，获得水溶性石墨烯材料。
上述的一种水溶性石墨烯的制备方法，所述天然石墨粉体的纯度≥98.0％，所述天然石墨粉体的粒度为200～1000目，所述高锰酸钾的纯度≥99.9％，所述柠檬酸的纯度≥99.9％，所述过氧化氢水溶液的质量百分比浓度为30％，所述盐酸溶液的质量百分比浓度为10％。
上述的一种水溶性石墨烯的制备方法，所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中高速离心的转速为12000～20000r/min。
上述的一种水溶性石墨烯的制备方法，所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中磁力搅拌的转速为180～300r/min。
上述的一种水溶性石墨烯的制备方法，所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中超声处理的频率为20～40kHz，功率为200～300W。
本发明的有益效果是，通过本方法制得的水溶性石墨烯材料质量优越，水分散性能好，制备方法简单安全，制备周期短，适合大量生产制备。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明中天然石墨粉体(a)和实施例1中水溶性石墨烯材料(b)的扫面电子显微镜照片对比；
图2为本发明中天然石墨粉体(a)和实施例1中水溶性石墨烯材料(b)的X射线粉末衍射谱图对比；
图3为本发明中天然石墨粉体(a)和实施例1中水溶性石墨烯材料(b)的拉曼谱图对比；
图4为本发明中实施例1中水溶性石墨烯材料的热重分析图谱；
图5为本发明中实施例1中水溶性石墨烯材料的紫外吸收谱图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明做进一步的说明，显而易见地，下面所描述的仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些实施例获得其他的实施例，都属于本发明的保护范围。
【实施例1】
一种水溶性石墨烯材料的制备方法，以天然石墨粉体为原料、高锰酸钾和柠檬酸为剥层试剂，包括如下步骤：
(1)准确称取70mg天然石墨粉体、350mg高锰酸钾和700mg柠檬酸，加入到5ml球磨罐中，球磨处理30min，获得紫色混合物；
(2)将步骤(1)获得的紫色混合物转移到坩埚中，100℃热处理30min，冷却至室温，得到水溶性石墨烯材料粗产品；
(3)将步骤(2)坩埚中的混合物转移到玻璃烧杯中，加入50ml沸腾状态的去离子水，磁力搅拌5min，超声处理20min，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液无色透明，洗去残余的高锰酸钾和柠檬酸；
(4)将步骤(3)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加20ml过氧化氢水溶液，保持磁力搅拌5min，超声处理20min，去除残余的高锰酸钾，高速离心获得固体；
(5)将步骤(4)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加20ml盐酸水溶液，保持磁力搅拌5min，超声处理20min，去除残余的锰氧化物，高速离心获得固体；
(6)将步骤(5)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌5min，超声处理20min，去除残余的盐酸水溶液，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液酸碱中性；
(7)将步骤(6)高速离心获得的固体冻干，获得水溶性石墨烯材料。
详细的，所述天然石墨粉体的纯度≥98.0％，所述天然石墨粉体的粒度为1000目，所述高锰酸钾的纯度≥99.9％，所述柠檬酸的纯度≥99.9％，所述过氧化氢水溶液的质量百分比浓度为30％，所述盐酸溶液的质量百分比浓度为10％；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中高速离心的转速为16000r/min；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中磁力搅拌的转速为200r/min；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中超声处理的频率为30kHz，功率为250W。
【实施例2】
一种水溶性石墨烯材料的制备方法，以天然石墨粉体为原料、高锰酸钾和柠檬酸为剥层试剂，包括如下步骤：
(1)准确称取50mg天然石墨粉体、250mg高锰酸钾和500mg柠檬酸，加入到5ml球磨罐中，球磨处理30min，获得紫色混合物；
(2)将步骤(1)获得的紫色混合物转移到坩埚中，120℃热处理30min，冷却至室温，得到水溶性石墨烯材料粗产品；
(3)将步骤(2)坩埚中的混合物转移到玻璃烧杯中，加入50ml沸腾状态的去离子水，磁力搅拌5min，超声处理40min，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液无色透明，洗去残余的高锰酸钾和柠檬酸；
(4)将步骤(3)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加10ml过氧化氢水溶液，保持磁力搅拌5min，超声处理40min，去除残余的高锰酸钾，高速离心获得固体；
(5)将步骤(4)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加10ml盐酸，保持磁力搅拌5min，超声处理40min，去除残余的锰氧化物，高速离心获得固体；
(6)将步骤(5)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌5min，超声处理40min，去除残余的盐酸水溶液，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液酸碱中性；
(7)将步骤(6)高速离心获得的固体冻干，获得水溶性石墨烯材料。
详细的，所述天然石墨粉体的纯度≥98.0％，所述天然石墨粉体的粒度为800目，所述高锰酸钾的纯度≥99.9％，所述柠檬酸的纯度≥99.9％，所述过氧化氢水溶液的质量百分比浓度为30％，所述盐酸溶液的质量百分比浓度为10％；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中高速离心的转速为12000r/min；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中磁力搅拌的转速为180r/min；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中超声处理的频率为20kHz，功率为200W。
【实施例3】
一种水溶性石墨烯材料的制备方法，以天然石墨粉体为原料、高锰酸钾和柠檬酸为剥层试剂，包括如下步骤：
(1)准确称取100mg天然石墨粉体、500mg高锰酸钾和1000mg柠檬酸，加入到10ml球磨罐中，球磨处理60min，获得紫色混合物；
(2)将步骤(1)获得的紫色混合物转移到坩埚中，150℃热处理60min，冷却至室温，得到水溶性石墨烯材料粗产品；
(3)将步骤(2)坩埚中的混合物转移到玻璃烧杯中，加入50ml沸腾状态的去离子水，磁力搅拌10min，超声处理20min，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液无色透明，洗去残余的高锰酸钾和柠檬酸；
(4)将步骤(3)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加30ml过氧化氢水溶液，保持磁力搅拌10min，超声处理20min，去除残余的高锰酸钾，高速离心获得固体；
(5)将步骤(4)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加30ml盐酸水溶液，保持磁力搅拌10min，超声处理20min，去除残余的锰氧化物，高速离心获得固体；
(6)将步骤(5)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌10min，超声处理20min，去除残余的盐酸水溶液，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液酸碱中性；
(7)将步骤(6)高速离心获得的固体冻干，获得水溶性石墨烯材料。
详细的，所述天然石墨粉体的纯度≥98.0％，所述天然石墨粉体的粒度为1000目，所述高锰酸钾的纯度≥99.9％，所述柠檬酸的纯度≥99.9％，所述过氧化氢水溶液的质量百分比浓度为30％，所述盐酸溶液的质量百分比浓度为10％；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中高速离心的转速为20000r/min；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中磁力搅拌的转速为300r/min；所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中超声处理的频率为40kHz，功率为300W。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水溶性石墨烯材料的制备方法，以天然石墨粉体为原料、高锰酸钾和柠檬酸为剥层试剂，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准确称取50～100mg天然石墨粉体、250～500mg高锰酸钾和500～1000mg柠檬酸，加入到5～10ml球磨罐中，球磨处理30～60min，获得紫色混合物；
(2)将步骤(1)获得的紫色混合物转移到坩埚中，100～150℃热处理20～60min，冷却至室温，得到水溶性石墨烯材料粗产品；
(3)将步骤(2)坩埚中的水溶性石墨烯材料粗产品转移到玻璃烧杯中，加入50ml沸腾状态的去离子水，磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液无色透明，洗去残余的高锰酸钾和柠檬酸；
(4)将步骤(3)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加10～30ml过氧化氢水溶液，保持磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，去除残余的高锰酸钾，高速离心获得固体；
(5)将步骤(4)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌均匀分散，滴加10～30ml盐酸水溶液，保持磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，去除残余的锰氧化物，高速离心获得固体；
(6)将步骤(5)高速离心获得的固体转移到玻璃烧杯中，加入40ml去离子水，磁力搅拌5～10min，超声处理20～40min，去除残余的盐酸溶液，高速离心获得固体，重复此过程直至离心后的清液酸碱中性；
(7)将步骤(6)高速离心获得的固体冻干，获得水溶性石墨烯材料。
2.根据权利要求1所述的一种水溶性石墨烯的制备方法，其特征在于，所述天然石墨粉体的纯度≥98.0％，所述天然石墨粉体的粒度为200～1000目，所述高锰酸钾的纯度≥99.9％，所述柠檬酸的纯度≥99.9％，所述过氧化氢水溶液的质量百分比浓度为30％，所述盐酸水溶液的质量百分比浓度为10％。
3.根据权利要求1所述的一种水溶性石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中高速离心的转速为12000～20000r/min。
4.根据权利要求1所述的一种水溶性石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中磁力搅拌的转速为180～300r/min。
5.根据权利要求1所述的一种水溶性石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中超声处理的频率为20～40kHz，功率为200～300W。
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