[发明专利]石墨烯氧化物的制备和提纯方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯氧化物的制备及提纯方法。

背景技术

自2004年石墨烯Graphene这一材料的问世引起了全世界新的研究热潮。石墨烯是由单层碳原子紧密排列成二维六角结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料，如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本单元。(K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，D.Jiang，Y.Zhang，S.V.Dubonos，I.V.Grigorieva，A.A.Firsov，“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”，Science，2004，306，666-669)由于石墨烯独特的二维结构，其具有优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。2008年8月，美国科学家证实，石墨烯是目前已知世界上强度最高的材料。(Changgu Lee，Xiaoding Wei，Jefferey W.Kysar，James Hone，“Measuremnt of the Elastic Properties and Intrinsic Strength ofMonolayer Graphene”，Science，2008，321，385-388)。实验结果发现，在石墨烯样品微粒开始断裂前，每100纳米距离上可承受的最大压力为2.9微牛左右。按这个结果测算，要使1米长的石墨烯断裂，需要施加相当于55牛顿的压力，也就是说，用石墨烯制成的包装袋应该可以承受大约两吨的重量。石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象，为量子电动力学现象的研究提供了理想的平台，具有重要的理论研究价值。因此，石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点。

石墨烯氧化物是结晶性高的石墨强力氧化后加水分解得到的化合物，可以归类为有共价键的石墨层间化合物。石墨烯氧化物由于其层间拥有大量的羟基、羧基等基团，容易与一些化学物质发生反应而得到改性石墨烯氧化物，图1为其结构示意图。因此石墨烯氧化物与许多材料基体都有较好的相容性，其在锂离子电池负极材料和阻燃复合材料方面也显示了明显的应用前景。石墨烯氧化物经过适当的超声波震荡处理极易在水溶液或者有机溶剂中分散成均匀的单层的石墨烯氧化物溶液，这为人们制备大量单层石墨烯氧化物提供了可能。目前，从石墨制备石墨烯氧化物被认为是大规模合成石墨烯的起点。

石墨烯氧化物的首次合成可以追溯到1898年的Brodie法，此后又出现了Staudenmaier法、Hummers法等(W.S.Hummers，R.E.Offeman.J.Am.Chem.Soc.，1958，80，1339～1339)，此三种方法都属于化学氧化法。此后又出现了采用电化学氧化法来制备石墨烯氧化物的方法，但是该方法不适合于石墨烯氧化物的大批量合成制备。

石墨烯氧化物上C原子属于sp³杂化，与石墨烯相比石墨烯氧化物的导电性很差。但相对于石墨烯，石墨烯氧化物由于表面含有大量的官能团，容易与一些化学物质发生反应，得到改性石墨烯。而这种改性石墨烯也可使石墨烯氧化物表面由亲水性变为亲油性、表面能降低，从而提高与聚合物单体或聚合物之间的相容性。因而增强了石墨烯氧化物和聚合物间的粘接性。石墨烯氧化物经过适当的超声波震荡处理极易在水溶液或者有机溶剂中分散成均匀的单层氧化石墨烯溶液，这为人们制备大量单层石墨烯提供了可能。

发明内容

本发明提供了石墨烯氧化物的制备及提纯方法，其制备方法通常分三步，(1)石墨预氧化；(2)石墨烯氧化物的制备；(3)石墨烯氧化物在硫酸和H₂O₂混合水溶液中通过反复震荡分离、过滤以达到提纯的目的。石墨烯氧化物的制备方法的步骤和条件如下：

(1)、石墨的预氧化

按照过硫酸钾质量g∶五氧化二磷质量g∶浓硫酸体积ml∶天然石墨质量g的配比范围为1∶0.2～5∶0.2～7∶0.2～6，在搅拌情况下，把天然石墨、过硫酸钾和五氧化二磷依次加到摩尔浓度为18mol/L的浓硫酸中得到澄清溶液，油浴加热到40～100℃反应，上述溶液反应1～7小时，生成黑色沉淀混合物，20～25℃下冷却1～10小时，抽滤，用二次水洗至滤液为中性；把所得沉淀在空气中干燥，得到预氧化石墨。

(2)用预氧化石墨制备石墨烯氧化物