[发明专利]一种微波膨化制备氧化石墨烯的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体地涉及一种微波膨化制备氧化石墨烯的制备工艺方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是单原子厚度的碳原子层，是碳原子以sp²杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的六角平面的排列成蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)的单层二维晶体。石墨烯是构成碳同素异形体石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯的基本单元。石墨是三维层状晶体，是由一层一层的二维石墨烯堆垛而成，通过层层剥离，人们可以制得单层的石墨烯。

石墨烯的制备方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC法。其中，微机械分离法费时费力，尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足够应用的石墨薄片样本；取向附生法制得的石墨烯厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性；加热SiC法制得的石墨烯厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。化学方法包括化学还原法和化学解理法。化学还原法(即氧化石墨还原法)通常首先将石墨氧化并剥离成氧化石墨烯，再通过氧化石墨的热膨胀和原位还原法大规模制备高导电性石墨烯。因此，从石墨制备氧化石墨烯(Graphite Oxide，GO)是关键步骤，被认为是大规模合成石墨烯的战略起点。

CN101935035A公开了高比表面积石墨烯的超低温热膨胀制备方法，包括如下步骤：在真空度0Pa～1000Pa下，将氧化石墨升温到80℃～150℃，维持恒温0.1小时～24小时，氧化石墨体积膨胀而发生剥离，得到比表面积为300m²/g～1200m²/g的氧化石墨烯。该方法的主要缺点是，工艺条件复杂，反应时间长效率低，能源消耗大。

CN101746755A公开了一种多层石墨烯的制备方法，以膨胀石墨为原料，经超声分散、固液分离和干燥后，制备出多层石墨烯。该方法的缺陷是比较难控制产品的层数，层数少的石墨烯所占比例较少。

CN102139873A公开了一种在真空或惰性气体环境中用微波辐照制备石墨烯材料的方法，包括以下制备步骤：取干燥的氧化石墨颗粒置于微波室的真空腔内，关闭真空腔顶盖；将真空腔内的气压抽至极限真空状态；将气体注入到真空腔中；直到将真空腔内的残余氧气驱赶干净；启动微波辐照，直到氧化石墨爆炸解离；关闭微波辐照，将真空腔气压充满到一个大气压状态；打开真空腔顶盖，收集爆炸还原的氧化石墨粉末。本发明利用微波加热集中，功率大的特点，短时间加热氧化石墨，使氧化石墨瞬间加热还原，并迅速膨胀，释放出大量气体；真空室能有效隔绝氧气和石墨烯的接触，避免高温还原过程中石墨烯的燃烧，从而提高还原产率。该方法对设备要求较为严格，操作略为繁琐，爆炸过程较为剧烈，产物损失不可控。

CN102225754A公开了一种氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将石墨、浓酸和强氧化剂混合均匀，在80℃～130℃的密闭环境中进行反应，得到氧化石墨烯。该方法制得的氧化石墨烯的结构和性能不可控。

现有的氧化石墨烯的制备方法存在石墨烯层数分布范围广，设备要求严格，工艺复杂、操作繁琐等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种微波膨化制备氧化石墨烯的工艺方法。

天然石墨是制备氧化石墨烯和石墨烯最好的母体材料。天然石墨经氧化插层处理后，层间距增大，用微波进一步地加热后，插层剂分解成气体，将氧化石墨块剥离成片状氧化石墨烯，同时其中一部分氧化石墨烯被还原成石墨烯。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明所述的微波膨化制备氧化石墨烯的工艺方法，包括以下步骤：

(1)将天然鳞片石墨与氧化剂混合，恒温反应后，洗涤、抽滤、干燥得到弱氧化插层的石墨颗粒；

(2)对步骤(1)得到的石墨颗粒进行微波照射，得到膨化石墨；

(3)向步骤(2)得到的膨化石墨中加入分散剂，经过超声剥离、抽滤、烘干得到氧化石墨烯。

石墨插层化合物(Graphite Intercalation Compounds，GICs)，是以一种天然鳞片石墨为基体材料，在石墨层与层之间插入一些非碳质的原子、分子、离子或原子团后，形成的化合物。石墨的层间距为0.335nm，而GICs为0.4～1.2nm，层间作用力被削弱。本发明就是首先将天然石墨鳞片氧化为是石墨插层化合物，以便后续更容易的对其进行膨化和剥离。