CN113511650A - 一种氧化石墨烯的纯化方法 - Google Patents

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王力耕
马帆冬
张岩
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Abstract

本发明提供一种氧化石墨烯的纯化方法，所述的方法为：将氧化石墨烯样品分散在分散剂中，在其上方缓缓滴加密度和黏度高于所述分散剂的液体分散剂，静置沉降10‑60min，取上层分散液洗涤过滤后烘干，获得含石墨杂质较少的氧化石墨烯；所述分散剂为水或乙醇。本发明使用重力沉降法进行氧化石墨烯的纯化操作，操作简便，效果良好，同时选用不同黏度密度的醇进行分离，后处理简单。

Description

一种氧化石墨烯的纯化方法
(一)技术领域
本发明涉及材料领域，提出一种实验室内少量氧化石墨烯的纯化方法。
(二)背景技术
2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov教授等首次通过机械剥离获得了可以稳定存在的石墨烯。石墨烯作为一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质。
目前石墨烯的主要制备方法有机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、外延生长法、溶剂热法、电化学法。然而目前多数方法只适用于实验室少量制备，可以进行大规模产业化生产的只有氧化还原法和溶剂热法。实验室中使用传统Hummers氧化超声法制备氧化石墨烯过程中，有很大一部分石墨不能充分氧化，导致超声处理时石墨层不能剥离开来，就和制备的氧化石墨烯混合在一起，难以分离，影响了氧化石墨烯材料在某些应用方向的性能。
当前在实验室内用来解决此问题的常用方法有三种，第一种是延长超声时间，尽可能的实现更多石墨层之间的剥离，第二种方法是离心法，通过离心处理，分离氧化石墨烯和未剥离的石墨，第三种是膜分离法，通过使用一定孔径的分子筛，筛分氧化石墨烯和未剥离的石墨。上述三种方法都有所不足，第一种延长超声时间的方法只能减少一部分未剥离石墨的量，不能根本上解决问题，第二种方法需要对离心处理的转速进行选择尝试，确定最佳转速，但因为离心机功率，型号等因素，不同离心机都需要对转速进行优化选择，第三种方法利用分子筛筛分，效率高，结果也良好，但成本较高，且分子筛容易堵塞，重复利用度不高。
上述方法有许多不足和缺陷，因此，现有技术有待于改进和发展。
(三)发明内容
为解决氧化超声法处理石墨后氧化石墨烯和未剥离石墨的分离困难问题，本发明提供了一种实验室内少量氧化石墨烯纯化的方法，该方法成本低，易于操作，同时可以为工业上使用降尘室和旋风分离提供一些数据信息。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种氧化石墨烯的纯化方法，所述的方法为：
将氧化石墨烯样品分散在分散剂中，在其上方缓缓滴加液体分散剂，静置沉降10-60min(利用重力沉降分离)，取上层分散液洗涤过滤后烘干，获得含石墨杂质较少的氧化石墨烯；所述分散剂为水或乙醇；所述液体分散剂的密度和黏度高于所述分散剂。
优选所述液体分散剂为乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或两种以上。
优选所述分散剂的体积以所述氧化石墨烯样品的质量计为4-5mL/g。
优选所述液体分散剂的用量为所述分散剂体积的0.5-2倍。
进一步，本发明所使用的氧化石墨烯采用的制备是Hummers法，所述氧化石墨烯样品按如下方法制备：在冰水浴中，搅拌下将石墨粉和硝酸钠的固体混合物加入质量分数为98％的浓硫酸中，搅拌2-4min(优选3min)后再分次加入高锰酸钾，控制反应温度为20℃以下，搅拌反应1-3h(优选2h)，然后升温到35℃，继续搅拌20-40min(优选30min)，再缓慢加入去离子水A，温度升高到98℃继续搅拌10-30min(优选20min)，加入双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色，趁热过滤，并用质量分数为5％的HCl溶液和去离子水B洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止；将所得滤饼置于60℃的烘箱中充分干燥，即得所述氧化石墨烯样品；所述浓硫酸、石墨粉、高锰酸钾、硝酸钠的质量比为84-86：1-3：5-7：1(优选85：2：6：1)。
进一步，所述去离子水A的体积以所述石墨粉的质量计为25mL/g。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明使用重力沉降法进行氧化石墨烯的纯化操作，操作简便，效果良好，同时选用不同黏度密度的醇进行分离，后处理简单。
(四)附图说明
图1为Hummers制备的氧化石墨烯样品的X射线衍射图。
图2为Hummers制备的氧化石墨烯样品的透射电镜图。
图3为实施例1操作方案过程中的变化。
图4为实施例2所得样品的X射线衍射图。
图5为实施例3所得样品的X射线衍射图。
图6为实施例3所得样品的透射电镜图。
(五)具体实施方式
下面通过一些具体的实施案例来进一步说明本发明的技术方案。
本发明所使用的氧化石墨烯采用的制备是Hummers法，制备方案如下：在冰水浴中装配好250ml的反应瓶，加入46ml的浓硫酸(浓度为98％)，搅拌下加入2g石墨粉和1g硝酸钠的固体混合物，搅拌3min后再一边反应一边缓慢加入6g高锰酸钾，控制反应温度为20℃以下，搅拌反应2h，然后升温到35℃，继续搅拌30min，再缓慢加入50ml去离子水，然后将温度升高到98℃，继续搅拌20min后，加入双氧水还原残留的氧化剂，至溶液紫红色褪去变为亮黄色。趁热过滤，并用质量分数为5％的HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止。之后将滤饼置于60℃的烘箱中充分干燥，最后将干燥后的氧化石墨样品分散在水中，超声分散1h后得氧化石墨烯。(本发明的保护范围不限于此)
实施例1
将0.5g氧化石墨烯样品分散在2ml水中，然后将分散剂(2)丙二醇4ml缓缓滴加到分散液(1)上方，然后静置沉降15min，利用重力沉降分离，取上层分散液，多次洗涤过滤后烘干，获得0.10g氧化石墨烯目标样品。
实施例2
将0.5g氧化石墨烯样品分散在2ml水中，然后将分散剂(2)乙二醇4ml缓缓滴加到分散液(1)上方，然后静置沉降15min，利用重力沉降分离，取上层分散液，多次洗涤过滤后烘干，获得0.09g氧化石墨烯目标样品。
实施例3
将0.5g氧化石墨烯样品分散在2.5ml水中，然后将分散剂(2)丙三醇2.5ml缓缓滴加到分散液(1)上方，乙二醇与分散液的体积比为1:1，然后静置沉降30min，利用重力沉降分离，取上层分散液，多次洗涤过滤后烘干，获得0.10g氧化石墨烯目标样品。
实施例4
将0.5g氧化石墨烯样品分散在2.5ml乙醇中，然后将分散剂(2)2.5ml丙三醇和2.5ml丙二醇混合液缓缓滴加到分散液(1)上方，然后静置沉降15min，利用重力沉降分离，取上层分散液，多次洗涤过滤后烘干，获得0.11g氧化石墨烯目标样品。
实施例5
将0.5g氧化石墨烯样品分散在2.5ml乙醇中，然后将分散剂(2)2.5ml乙二醇和2.5ml丙三醇混合液缓缓滴加到分散液(1)上方，然后静置沉降30min，利用重力沉降分离，取上层分散液，多次洗涤过滤后烘干，获得0.11g氧化石墨烯目标样品。

Claims (7)

1.一种氧化石墨烯的纯化方法，其特征在于所述的方法为：
将氧化石墨烯样品分散在分散剂中，在其上方缓缓滴加液体分散剂，静置沉降10-60min，取上层分散液洗涤过滤后烘干，获得含石墨杂质较少的氧化石墨烯；所述分散剂为水或乙醇；所述液体分散剂的密度和黏度高于所述分散剂。
2.如权利要求1所述的氧化石墨烯的纯化方法，其特征在于：所述液体分散剂为乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或两种以上。
3.如权利要求1所述的氧化石墨烯的纯化方法，其特征在于：所述分散剂的体积以所述氧化石墨烯样品的质量计为4-5mL/g。
4.如权利要求1所述的氧化石墨烯的纯化方法，其特征在于：所述液体分散剂的用量为所述分散剂体积的0.5-2倍。
5.如权利要求1所述的氧化石墨烯的纯化方法，其特征在于：所述氧化石墨烯样品是采用Hummers法制备得到的。
6.如权利要求5所述的氧化石墨烯的纯化方法，其特征在于所述氧化石墨烯样品按如下方法制备：在冰水浴中，搅拌下将石墨粉和硝酸钠的固体混合物加入质量分数为98％的浓硫酸中，搅拌2-4min后再分次加入高锰酸钾，控制反应温度为20℃以下，搅拌反应1-3h，然后升温到35℃，继续搅拌20-40min，再缓慢加入去离子水A，温度升高到98℃继续搅拌10-30min，加入双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色，趁热过滤，并用质量分数为5％的HCl溶液和去离子水B洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止；将所得滤饼置于60℃的烘箱中充分干燥，即得所述氧化石墨烯样品；所述浓硫酸、石墨粉、高锰酸钾、硝酸钠的质量比为84-86：1-3：5-7：1。
7.如权利要求6所述的氧化石墨烯的纯化方法，其特征在于：所述去离子水A的体积以所述石墨粉的质量计为25mL/g。
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CN113860289A (zh) * 2021-10-21 2021-12-31 江苏天奈科技股份有限公司 一种纯化碳纳米管的方法

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CN103991866A (zh) * 2014-05-29 2014-08-20 河北工业大学 氧化石墨烯制备中不同尺寸大小氧化石墨烯的分离方法
CN104692366A (zh) * 2015-01-27 2015-06-10 北京航空航天大学 一种石墨烯及石墨烯基复合材料分散液的浓缩和提纯的方法
CN106587042A (zh) * 2016-12-19 2017-04-26 上海交通大学 一种对氧化石墨烯粗制液进行快速纯化的方法

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