[发明专利]一种氧化石墨烯的还原方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过化学还原氧化石墨烯制备石墨烯的方法，特别涉及一种利用绿色还原剂肟还原氧化石墨烯制备稳定石墨烯水溶液的方法。

背景技术

石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格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。由于其独特的二维结构和完美的晶体结构，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；同时，石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能纳电子器件、传感器、纳米复合材料、电池及超级电容器、场发射材料等领域获得广泛应用。因而近年来，石墨烯迅速成为凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。

自2004年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov首次通过微机械剥离法获得石墨烯后，人们相继提出了取向附生法、化学气相沉积法、溶剂热法、电化学法、化学还原法等方法制备石墨烯。其中，化学还原法是一种以石墨为原料的软化学方法，即通过微波或超声波对氧化石墨进行剥离得到氧化石墨烯（graphene oxide, GO）胶体溶液，然后再对GO进行化学还原得到石墨烯。这种方法以廉价的石墨为原料，经过氧化、剥离、还原，容易实现石墨烯的批量化生产，可以满足大规模的应用需求。

目前，常用还原剂有水合肼、对苯二酚、硼氢化钠等。例如，Stankovich等和Wang等分别利用水合肼和对苯二酚为还原剂将GO还原并获得石墨烯。但水合肼和对苯二酚都有很强的毒性，对人体和环境有害。Zhang等和Paredes等利用抗坏血酸代替水合肼为还原剂，实现了对GO的还原，证明抗坏血酸是一种高效、环境友好的还原剂。然而抗坏血酸价格昂贵，不利于大规模工业化生产。因此，寻找绿色、高效、无毒的化学还原剂是一个富有吸引力的课题。

丙酮肟，又名二甲基酮肟，是一种肟基还原剂，其挥发性能和热分解性能均优于水合肼，尤为重要的是其毒性是50%水合肼的1/20。目前，丙酮肟、乙醛肟或甲乙酮肟主要用于工业锅炉内给水化学除氧剂。

发明内容

本发明的目的是针对现有化学还原氧化石墨烯技术使用高毒性化学还原剂造成环境污染等问题，提供一种绿色还原氧化石墨烯制备石墨烯的方法。该方法制备工艺简单易行，反应过程易于控制，对设备无特殊要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种氧化石墨烯的还原方法，以丙酮肟、乙醛肟或甲乙基酮肟为还原剂，在pH为6~14的氧化石墨烯水溶液中还原氧化石墨烯制备得到石墨烯，还原剂优先选用丙酮肟；上述还原反应温度为80℃~100℃，氧化石墨烯与还原剂丙酮肟、乙醛肟或甲乙基酮肟的质量比为1:(0.2~5)，优选为1:(0.4~2)；上述的氧化石墨烯水溶液的质量百分比浓度为0.001 wt% ~ 1 wt%，还原30 min ~ 24 h。

上述的氧化石墨烯水溶液为石墨经Hummers’法氧化后再超声分散到水中所形成的黄色或黄褐色透明溶液，所述石墨为粒径小于500目的石墨粉。

所述的丙酮肟、乙醛肟或甲乙基酮肟具有以下结构式：

             

本发明采用毒性较低的肟基还原剂，通过化学还原的方法实现对氧化石墨烯的还原，获得了石墨烯。该制备方法简单易行，反应过程易于控制，对设备无特殊要求，成本低、无污染，易推广使用。

附图说明

图1  氧化石墨烯(a)、经丙酮肟(b)和水合肼(c)还原得到的石墨烯，以及放置2个月后的石墨烯溶液[丙酮肟 (d )和水合肼(e) ]的光学照片；

图2  氧化石墨烯(a)及经丙酮肟(b)和水合肼(c)还原得到的石墨烯溶液的UV-vis光谱；

图3  石墨(a)、氧化石墨烯(b)及经丙酮肟(c)和水合肼(d)还原得到的石墨烯的拉曼光谱；

图4  氧化石墨烯(a)、石墨(b)及经丙酮肟(c)和水合肼(d)还原得到的石墨烯的红外光谱；

图5  氧化石墨烯(a)及经丙酮肟(b)和水合肼(c)还原得到的石墨烯的C_1s XPS谱；

图6  石墨(a)、氧化石墨烯(b)及经丙酮肟(c)和水合肼(d)还原得到的石墨烯的XRD图谱；

图7  石墨(a)、经水合肼(b)和丙酮肟(c)还原得到的石墨烯、氧化石墨烯(d)的热重曲线。

具体实施方式

实施例1：