[发明专利]一种化学剥离制备氧化石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化石墨烯的制备方法，具体地指一种化学剥离制备氧化石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯（graphene)是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。它被认为是富勒烯、碳纳米管(CNT)、石墨的基本结构单元，因其力学、量子和电学性质特殊，已经成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。石墨烯中电子的典型传导速率为8×10⁵m/s，这虽然比光速慢很多，但是却比一般半导体中的电子传导速度大得多。除了电学性能优异外，石墨烯的拉伸模量（1.01TPa）和极限强度（116GPa）与单壁碳纳米管（SWCNT）相当，导热性好（~3000W/(m·K）并且比表面积大（2600m²/g）。另外它的极高的电子迁移率有可能在纳米电子器件、传感器、太阳能电池电极、晶体管以及导电聚合物等领域有着极为卓著的应用价值。

目前石墨烯的制备方法主要有微机械分离法、取向附生法和加热SiC法。微机械分离法是选用一种材料膨化或者与引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。此方法是目前制备高质量石墨烯的最直接方法。此方法存在的缺点是产率低、成本高。取向附生法是将碳原子在1000℃以上渗入一种作为基质的稀有金属中，然后冷却到800℃左右，之前渗入的碳原子又会浮在稀有金属的表面，并布满整个基质表面，最终形成单层的石墨烯。此方法制备的石墨烯薄片往往厚度不均匀，并且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。加热SiC法是在单晶6H-SiC的Si（0001）面上通过热解脱除Si来制备石墨烯。即将表面经过氧化或氢气刻蚀后得到的样品在高真空下（UHV，1.32×10^-8Pa）通过电子轰击加热到1000℃以除去样品表面的氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将温度升高至1250~1450℃后恒温1~20min，即可形成单层的石墨烯。此方法制备条件要求苛刻，不易操作。

因此，要拓展石墨烯的应用领域，寻找一种操作简单、成本低廉的石墨烯制备方法尤为迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种化学剥离制备氧化石墨烯的方法，使得制备石墨烯的设备简单、易于操作、成本低廉，有利于规模化生产。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种化学剥离制备氧化石墨烯的方法，包括如下步骤：

（1）氧化石墨的制备：

按膨胀石墨：强酸：氧化剂：蒸馏水的配比=0.1~0.8g：10~90mL：0.6~12g：40~300mL，选取膨胀石墨、强酸、氧化剂和蒸馏水，备用；

将膨胀石墨与强酸均匀混合，加入氧化剂，在30~45℃温度下反应0.25~4h；然后加入蒸馏水反应0.5~2.5h，再用蒸馏水将滤饼清洗至中性；用无水乙醇将滤饼冲下，在50~75℃温度下干燥，得到氧化石墨；

（2）氧化石墨烯的制备

按氧化石墨：有机溶剂的配比=0.02~0.1g：15~70mL，选取氧化石墨和有机溶剂，备用；

将氧化石墨加入到有机溶剂中，以40~50kHz的频率超声分散0.5~10h；然后以3000~5000转/分钟的转速，离心处理20~90min；取上层悬浮溶液在50~70℃温度下干燥，得到氧化石墨烯。

上述技术方案中，所述步骤（1）中的强酸为浓硫酸、浓硝酸或者二者的混合物。

上述技术方案中，所述步骤（1）中的氧化剂为高锰酸钾、高氯酸钾、硝酸钠中的一种或几种。

进一步地，所述氧化剂为高锰酸钾或者含有高锰酸钾时，在30~45℃温度下反应0.25~4h后，加入双氧水中和未反应的高锰酸钾。

上述技术方案中，所述步骤（2）中，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、乙醇、乙二醇、丙酮中的一种。

上述技术方案中，所述步骤（1）中，膨胀石墨与强酸在冰水浴中均匀混合。

上述技术方案中，所述步骤（1）中30~45℃温度下反应0.25~4h在水浴中进行。

本发明的化学剥离制备氧化石墨烯的方法的有益效果在于：

（1）利用了膨胀石墨制备氧化石墨，由于膨胀石墨易于分散、比表面积大，制备的氧化石墨氧化程度很高；