[发明专利]一种化学合成石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于化工技术领域。特别涉及一种石墨烯的化学合成方法。

背景技术

2004年，Geim等以石墨为原料，通过微机械力剥离法得到一系列叫做二维原子 晶体(two-dimensional atomic crystals)的新材料——“石墨烯(Graphene)”。它的发现 推翻了“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的认知，震撼了整个物 理界。石墨烯的特殊性能决定了其具有重大的经济价值和广阔的市场应用前景。然而 单纯的靠微机械力剥离虽然能得到单层石墨烯，但费时费力，效率低，无法实现工业 化生产。居于此，如何高效率高产率的得到石墨烯成为了当前研究的热门课题。

目前，以石墨为原料合成石墨烯的方法主要包括物理方法和化学方法。现有的物 理方法虽然能得到单层石墨烯，但费时费力，效率低，无法实现工业化生产。化学方 法包括SiC热解外延生长法、气相沉积法和氧化-分散-还原法。其中，应用较广的是 “氧化-分散-还原”法，这种方法的机理是先用强氧化剂将石墨氧化，从而增大层间 距，然后用超声分散法获取氧化石墨烯，再用还原剂将氧化石墨烯还原为电导性好的 石墨烯。但由于石墨烯的π-π作用使得其很容易聚集，因而这种方法也较难大量合成 高质量的石墨烯。

发明内容

本发明的目的这是根据上述氧化-分散-还原法所存在的不足，提出一种通过改进 分散步骤消除聚集以大量制备石墨烯的化学方法。

本发明的技术方案是：由氧化-分散-还原三个步骤所构成，先对石墨进行氧化， 再将氧化后的石墨进行分散，后将分散后获得的产物还原为石墨烯，其分散由以下分 步骤所组成：

1)对氧化后的石墨进行常规的分散以获取氧化石墨烯的无水N，N-二甲基甲酰胺 溶液；

2)以丙稀酸为单体，过氧化苯甲酰为引发剂，在氧化石墨烯的无水N，N-二甲基 甲酰胺溶液中进行原位聚合以获取氧化石墨烯与聚丙烯酸的复合物。

原位聚合是对常规超声分散后得到的氧化石墨烯的无水N，N-二甲基甲酰胺溶液 在氩气/氮气的保护下加入引发剂过氧化苯甲酰进行熟化，熟化后滴加适量的丙烯酸， 然后升温至聚合温度，搅拌后静置，待反应结束后分离产物获得氧化石墨烯与聚丙烯 酸的复合物。

无水N，N-二甲基甲酰胺是将N，N-二甲基甲酰胺以CaH₂为干燥剂，搅拌静置后 减压蒸出的。

丙烯酸是用对苯二酚做阻聚剂减压蒸馏得到的。

过氧化苯甲酰选用甲醇重结晶。

本发明的具体制备方法如下：

(1).氧化石墨：

以石墨为原料，浓硫酸为溶剂，冰浴条件下将高锰酸钾缓慢加入到体系中，然 后升温至30-50℃，搅拌2h。反应结束后冰浴下加入蒸馏水(此时将大量放热)，滴 加H₂O₂至无气泡产生。产物离心分离后用稀盐酸洗涤至上清液中无SO₄^2-残余，最后 用蒸馏水洗涤至无Cl^-残余。所得产物于70℃烘箱中干燥即得到氧化的石墨。

(2).对氧化石墨进行分散：

在容器中加入氧化石墨和无水N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，室温下超声使其分散。 氩气或氮气保护下加入引发剂过氧化苯甲酰(BPO)对其进行熟化，熟化后滴加适量 的丙烯酸，然后升温至聚合温度并搅拌静置，反应结束后采用离心的方法分离产物， 并将分离得到的氧化石墨烯与聚丙烯酸的复合物直接用于下一步的还原。

(3).还原石墨烯：

将上步反应获得的氧化石墨烯与聚丙烯酸的复合物加入到蒸馏水中，然后加入水 合肼还原。反应结束后过滤并依次用四氢呋喃(THF)、蒸馏水洗涤多次。固体干燥后 即得到石墨烯

上述步骤中所用溶剂DMF为处理过的无水DMF，处理方法是以CaH₂为干燥剂， 搅拌静置然后减压蒸出；丙烯酸用对苯二酚做阻聚剂减压蒸馏得到；BPO用甲醇重 结晶。

经过上述步骤得到的产品固体干燥后经过拉曼、透射电镜、扫描电镜等表征，其 产率为64％。

本发明所述的石墨烯合成方法可方便的实现水溶性纳米材料的掺杂，从而扩宽石 墨烯的应用范围。