CN109160510A - 氧化石墨烯微纳米颗粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种氧化石墨烯微纳米颗粒及氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法。所述氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法包括：将尺寸为0.5‑3μm的片状氧化石墨烯与溶剂混合，以形成溶液；将所述溶液雾化，形成所述溶液的液滴；在400‑800℃下加热雾化形成的所述溶液的液滴，以使所述液滴中的所述片状氧化石墨烯形成氧化石墨烯微纳米颗粒；提取所述氧化石墨烯微纳米颗粒。本公开通过在400‑800℃下加热雾化形成的包含片状氧化石墨烯的液滴，能够使液滴中的溶剂快速蒸发，导致液滴快速收缩，对液滴中的片状氧化石墨烯产生挤压，从而使片状氧化石墨烯发生折叠，以形成氧化石墨烯微纳米颗粒。

Description

氧化石墨烯微纳米颗粒及其制备方法

技术领域

本公开涉及碳材料技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯微纳米颗粒及氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种二维纳米碳材料，在材料学、能源、生物医学和药物传递等方面均具有重要的应用。氧化石墨烯是石墨烯的氧化产物，其具有较高的比表面积和丰富的官能团，是一种性能优异的新型碳材料。

在制备氧化石墨烯聚合物的过程中，常常需要将氧化石墨烯与溶剂混合。然而，片状氧化石墨烯之间具有较强的范德华力，导致其在溶剂中容易聚集和层叠，进而减小了氧化石墨烯的比表面积，导致氧化石墨烯的性能无法充分展现。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种氧化石墨烯微纳米颗粒及氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，能够使片状氧化石墨烯形成氧化石墨烯微纳米颗粒。

根据本公开的一个方面，提供一种氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法。所述氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法包括：将尺寸为0.5-3μm的片状氧化石墨烯与溶剂混合，以形成溶液；将所述溶液雾化，形成所述溶液的液滴；在400-800℃下加热雾化形成的所述溶液的液滴，以使所述液滴中的所述片状氧化石墨烯形成氧化石墨烯微纳米颗粒；提取所述氧化石墨烯微纳米颗粒。

在本公开的一种示例性实施例中，所述液滴的直径为1-4μm。

在本公开的一种示例性实施例中，所述将所述溶液雾化包括：通过超声波将所述溶液雾化。

在本公开的一种示例性实施例中，所述超声波的频率为1.7-2.4MHz。

在本公开的一种示例性实施例中，所述溶液的浓度为0.1-0.5g/L。

在本公开的一种示例性实施例中，所述溶剂为去离子水。

在本公开的一种示例性实施例中，所述在400-800℃下加热雾化形成的所述溶液的液滴包括：通过预设气体形成的气流使所述液滴经过一加热装置，所述加热装置用于在400-800℃下加热雾化形成的所述溶液的液滴。

在本公开的一种示例性实施例中，所述气流流速为30-35L/min。

在本公开的一种示例性实施例中，所述预设气体为空气、氮气以及氩气中的任一种。

根据本公开的一个方面，提供一种氧化石墨烯微纳米颗粒。所述氧化石墨烯微纳米颗粒由上述任一项所述的制备方法制备而成。

本公开相比现有技术的有益效果在于：

本公开的氧化石墨烯微纳米颗粒及氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，通过在400-800℃下加热雾化形成的包含片状氧化石墨烯的液滴，能够使液滴中的溶剂快速蒸发，导致液滴快速收缩，对液滴中的片状氧化石墨烯产生挤压，从而使片状氧化石墨烯发生折叠，以形成氧化石墨烯微纳米颗粒。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法的流程图；

图2为本公开实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法所制备的氧化石墨烯微纳米颗粒的一个电镜图：

图3为本公开实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法所制备的氧化石墨烯微纳米颗粒的另一个电镜图；

图4为本公开实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备装置的示意图。

图中：1、进料装置；101、容器；1011、第一开口；1012、第二开口；102、雾化装置；2、加热装置；201、空腔；2011、第一端；2012、第二端；3、收集装置。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料、装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

用语“一个”、“一”和“该”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”、“具有”以及“设有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本示例实施方式提供一种氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法。如图1所示，该氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法可以包括步骤S11-S14。其中：

步骤S11、将尺寸为0.5-3μm的片状氧化石墨烯与溶剂混合，以形成溶液。

步骤S12、将溶液雾化，形成溶液的液滴。

步骤S13、在400-800℃下加热雾化形成的溶液的液滴，以使液滴中的片状氧化石墨烯形成氧化石墨烯微纳米颗粒。

步骤S14、提取氧化石墨烯微纳米颗粒。

本公开实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒及氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，通过在400-800℃下加热雾化形成的包含片状氧化石墨烯的液滴，能够使液滴中的溶剂快速蒸发，导致液滴快速收缩，对液滴中的片状氧化石墨烯产生挤压，从而使片状氧化石墨烯发生折叠，以形成氧化石墨烯微纳米颗粒。

下面对本公开实施方式的各步骤就进行详细说明：

在步骤S11中，将尺寸为0.5-3μm的片状氧化石墨烯与溶剂混合，以形成溶液。

该片状氧化石墨烯是指几何外形呈片状的氧化石墨烯。该片状氧化石墨烯的尺寸指的是在与其厚度方向垂直的方向上的最大尺寸。一实施方式中，该片状氧化石墨烯呈圆片，其尺寸为圆片的直径。该片状氧化石墨烯的尺寸可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、3μm等。该溶剂可以为去离子水，以降低溶液的成本，进而能够降低氧化石墨烯微纳米颗粒的制备成本。在本公开其它实施方式中，该溶剂还可以为其它液体，在此不再一一列举。

该溶液中的片状氧化石墨烯的浓度可以为0.1-0.5g/L，例如0.1g/L、0.15g/L、0.3g/L、0.4g/L、0.5g/L等。其中，该浓度等于片状氧化石墨烯的质量与溶液的体积的比值。在片状氧化石墨烯的浓度小于0.1g/L时，后续步骤所形成的液滴中所含的片状氧化石墨烯的含量较低，从而使每个液滴在收缩过程中所挤压的片状氧化石墨烯较少，进而降低了片状氧化石墨烯发生折叠的效率。在片状氧化石墨烯的浓度大于0.5g/L时，片状氧化石墨烯不能充分分散悬浮于溶剂中，从而不能形成液滴，造成了片状氧化石墨烯的浪费。

在溶液的形成过程中，可以对片状氧化石墨烯和溶剂进行搅拌，以使片状氧化石墨烯与溶剂可以充分混合。该搅拌可以采用人工搅拌，当然，也可以通过电机进行搅拌。其中，在人工搅拌的过程中，可以采用玻璃棒进行搅拌。在电机搅拌的过程中，可以使电机带动搅拌桨转动，并利用搅拌桨对片状氧化石墨烯和溶剂进行搅拌。该搅拌桨的外表面可以设有聚四氟乙烯涂层，以使搅拌桨易于清洁。在本公开其它实施方式中，还可以通过超声波使片状氧化石墨烯与溶剂充分混合。其中，利用超声波进行混合的时间可以为20-30min，例如20min、23min、24min、27min、29min、30min等。该超声波的频率可以为20KHz，但不以此为限，也可以是其它数值，只要能使片状氧化石墨烯与溶剂混合均匀即可。本公开对混合时的温度不作特殊限定。此外，片状氧化石墨烯与溶剂的混合在一容器中进行。过程中，可以先在该容器中加入溶剂，接着再加入片状氧化石墨烯。当然，也可以先在容器中加入片状氧化石墨烯，接着再加入溶剂。

在步骤S12中，将溶液雾化，形成溶液的液滴。

雾化能够使溶液分散成液滴。其中，分散所形成的液滴的直径可以为1-4μm，例如1μm、1.3μm、2μm、3μm、3.7μm、4μm等。一实施方式中，可以通过超声波对溶液进行雾化。该过程主要是利用电子高频震荡产生的超声波，将液态溶剂分子间的分子键打散，从而形成微小的液滴。该超声波的频率可以为1.7-2.4MHz，例如1.7MHz、1.8MHz、2MHz、2.3MHz、2.4MHz等。

应该理解的是，上述雾化的方式仅为示例性说明，在本公开其它实施方式中，雾化方式还可以是转盘雾化等其它形式，只要能起到相同的作用即可，在此不再详述。

在步骤S13中，在400-800℃下加热雾化形成的溶液的液滴，以使液滴中的片状氧化石墨烯形成氧化石墨烯微纳米颗粒。

通过在400-800℃下加热，能够使溶液的液滴中的溶剂快速蒸发，从而可以使液滴快速收缩，对液滴中的片状氧化石墨烯产生挤压作用，使片状氧化石墨烯发生折叠，同时氧化石墨烯中的含氧官能团也可以相互连接，组装成氧化石墨烯微纳米颗粒。具体地，该加热温度可以为400℃、470℃、550℃、620℃、740℃、800℃等。通过调节加热温度，可以获得具有不同折叠精密度的氧化石墨烯颗粒。其中，该加热温度由一加热装置提供。

为了使溶液的液滴能够顺利进入加热装置，可以通过预设气体形成的气流使液滴经过该加热装置。一实施方式中，该预设气体可以为氩气，以避免预设气体与液滴发生化学反应。另一实施方式中，该预设气体也可以为氮气，以降低预设气体的使用成本。又一实施方式中，该预设气体也可以为空气。以空气为预设气体，简单易行，且不产生有害气体。在本公开其它实施方式中，该预设气体还可以为二氧化碳等其它气体，在此不再一一列举。该气流的流速可以为30-35L/min，例如31L/min、32.4L/min、33L/min、34L/min、35L/min等。在流速过小时，该气流无法带动溶液的液滴经过加热装置，同时，该气流也无法将液滴在蒸发过程中产生的溶剂带出加热装置。在流速过大时，会导致溶液的液滴在加热装置中的停留时间过短，进而使液滴中溶剂的蒸发不能充分完成。此外，在预设气体为空气时，氧化石墨烯在加热过程中会被进一步氧化；在预设气体为氮气时，氧化石墨烯在加热过程中会发生还原；在预设气体为二氧化碳时，该二氧化碳会选择性地还原氧化石墨烯的表面官能团。因此，通过调节预设气体的种类，能够获得具有不同表面官能团的氧化石墨烯颗粒。

在步骤S14中，提取氧化石墨烯微纳米颗粒。

一实施方式中，通过静电吸附来提取氧化石墨烯微纳米颗粒。该静电吸附不仅收集效率高，还能够收集尺寸很小的氧化石墨烯微纳米颗粒，提高了氧化石墨烯微纳米颗粒的收率。另一实施方式中，该氧化石墨烯微纳米颗粒可以直接通入去离子水中进行收集，并使氧化石墨烯微纳米颗粒保存在去离子水中。该方法操作简单，易于控制。

应该理解的是，上述氧化石墨烯微纳米颗粒的收集方式仅为示例性说明，在本公开其它实施方式中，氧化石墨烯微纳米颗粒的收集还可以是其它形式，只要能起到相同的作用即可，在此不再详述。

举例而言，将片状氧化石墨烯与去离子水在频率为20KHz的超声波下混合，以形成溶液。该溶液中片状氧化石墨烯的浓度为0.4g/L。通过频率为2.4MHz的超声波对溶液进行雾化，以形成液滴。调节空气气流的流速为34L/min，并通过该空气气流使溶液的液滴经过加热装置。该加热装置能够在780℃下加热该溶液的液滴。最后，通过静电吸附收集从加热装置出来的氧化石墨烯微纳米颗粒。该氧化石墨烯微纳米颗粒的电镜照片如图2和图3所示。由图3可知，片状氧化石墨烯发生了折叠。

本公开的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法可以通过氧化石墨烯微纳米颗粒的制备装置实现。如图4所示，该氧化石墨烯微纳米颗粒的制备装置可以包括进料装置1、加热装置2以及收集装置3。其中：

如图4所示，该进料装置1与加热装置2连通，用于提供上述的溶液的液滴，并使该溶液的液滴进入加热装置2。该进料装置1包括容器101、雾化装置102以及气源。该容器101内具有由片状氧化石墨烯与溶剂混合形成的溶液。该雾化装置102用于雾化容器101内的溶液。该雾化装置102可以为超声波雾化器。该超声波雾化器可以包括超声波发生器和晶体换能器。该超声波发生器在通电后能够输出高频电能。该晶体换能器与该超声波发生器相连，能够接收超声波发生器输出的高频电能，并将高频电能转化为超声波声能。该超声波声能能够作用于容器101中的溶液，以使溶液雾化成液滴。该容器101还具有第一开口1011和第二开口1012。其中，第一开口1011与气源相连。该气源提供的预设气流通过该第一开口1011能够进行该容器101中。该气源可以为气瓶。该气瓶可以为氦气瓶、氮气瓶、空气瓶等。该气瓶具有出气口，该出气口与第一开口1011通过管路连接。该出气口设有压力阀，以调节预设气流的压力。此外，连接出气口与第一开口1011的管路上设有流量计，以监测管路中预设气流的流速。第二开口1012与加热装置2相连。该预设气流和雾化形成的溶液的液滴能够通过该第二开口1012进入该加热装置2中。

如图4所示，该加热装置2能够在400-800℃下加热上述溶液的液滴。该加热装置2具有空腔201。该空腔201具有第一端2011和第二端2012，且第一端2011和第二端2012贯通。其中，该空腔201的第一端2011与上述容器101的第二开口1012相连，用于接收预设气流和雾化形成的溶液的液滴。该容器101的第二端2012与收集装置3相连。在制备氧化石墨烯微纳米颗粒时，预先利用预设气流对空腔201进行吹扫作业，避免空腔201中的杂质对最终的氧化石墨烯微纳米颗粒产物造成影响。该空腔201可以为圆柱型空腔201，其尺寸在此不作特殊限定。该圆柱型空腔201可以具有非均匀的横截面。当然，该圆柱型空腔201还可以具有均匀的横截面。在其它实施方式中，该空腔201还可以为长方体型空腔201等。该空腔201内壁以辐射传热的方式加热溶液的液滴。此外，该加热装置2可以为加热炉。

如图4所示，该收集装置3可以采用静电吸附，当然，也可以直接将氧化石墨烯微纳米颗粒收集在去离子水中。

本公开实施方式还提供一种氧化石墨烯微纳米颗粒。该氧化石墨烯微纳米颗粒由上述任一实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法制备而成。本公开实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒采用的制备方法与上述氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法相同，因此，具有相同的有益效果。此外，本公开实施方式的氧化石墨烯微纳米颗粒的尺寸在几百纳米到一微米左右，在水溶液中可自行分散，且能够长时间地保持分散状态。

本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括：

将尺寸为0.5-3μm的片状氧化石墨烯与溶剂混合，以形成溶液；

将所述溶液雾化，形成所述溶液的液滴；

在400-800℃下加热雾化形成的所述溶液的液滴，以使所述液滴中的所述片状氧化石墨烯形成氧化石墨烯微纳米颗粒；

提取所述氧化石墨烯微纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述液滴的直径为1-4μm。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，将所述溶液雾化包括：

通过超声波将所述溶液雾化。

4.根据权利要求3所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述超声波的频率为1.7-2.4MHz。

5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述溶液的浓度为0.1-0.5g/L。

6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水。

7.根据权利要求1所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，在400-800℃下加热雾化形成的所述溶液的液滴包括：

通过预设气体形成的气流使所述液滴经过一加热装置，所述加热装置用于在400-800℃下加热雾化形成的所述溶液的液滴。

8.根据权利要求7所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述气流流速为30-35L/min。

9.根据权利要求7所述的氧化石墨烯微纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述预设气体为空气、氮气以及氩气中的任一种。

10.一种氧化石墨烯微纳米颗粒，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。