[发明专利]一种单层氧化石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种单层氧化石墨烯的制备方法。

背景技术

2004年英国曼彻斯特大学的A.K.Geim小组首次用机械剥离石墨的方法制备出了石墨烯，并且进一步表征了石墨烯材料的各种基本性质。2010年Geim和Novoselov的研究工作被授予诺贝尔物理学奖。单层石墨烯为厚度仅为的二维晶体。在石墨烯尚未发现的时候，物理学界普遍认为长程有序的一维或者二维晶体材料是不存在的，透射电子显微镜观察发现单层石墨烯表面存在固有的波浪形皱纹，这是使石墨烯保持热力学稳定的可能原因。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，具有诸多奇特的物理性能，其导热系数高达5300W/m·K，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，而电阻率只有约10^-6Ω·cm。石墨烯具有非常广阔的应用前景，例如场发射源及其真空电子器件、导热材料/热界面材料、透明导电电极和太阳能电池等。

现有的石墨烯制备方法中，氧化石墨法是有希望实现石墨烯材料大批量生产的方法。氧化石墨法制备石墨烯大致可分为氧化、剥离、还原三步，其中最关键的步骤是制备氧化石墨烯。基本原理为：石墨在硫酸、硝酸、磷酸等一种或几种混合强酸和氧化剂的作用下可形成低阶GIC，低阶GIC可以被继续氧化，随后水解得到一种含氧官能团含量非常高的石墨产物即称为氧化石墨。氧化石墨由于层间含氧官能团的存在，层间距约为0.7~1.1nm，远大于石墨的层间距0.335nm，可以采用适当的剥离方法处理氧化石墨，将其剥离成几层甚至是单层的氧化石墨烯，常用的剥离方法有超声剥离和热膨胀剥离等。超声剥离局部能量很高，会在剥离过程中将氧化石墨烯打碎，而且长时间超声还可能改变氧化石墨烯表面特性，使其重新发生聚合。而热膨胀剥离过程中氧化石墨稀表面的官能团会受热分解，最终得到含氧量较低的石墨烯，性能和氧化石墨烯完全不同。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种不需要剥离工艺的单层氧化石墨烯的制备方法，该制备方法操作简单，制备时间短，得到的氧化石墨烯厚度均一。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种单层氧化石墨烯的制备方法，包括以下过程：将膨胀石墨与酸在冰水浴中混合，加入强氧化剂，冰水浴混合搅拌10min~1h，将混合物升温至30~50℃并持续搅拌0.5~2h，随后加入去离子水水解，反应稳定后加入双氧水，所得产物用5%稀盐酸和去离子水反复清洗，离心分离得到单层氧化石墨烯，将其溶于去离子水制备成氧化石墨烯液保存。

上述反应过程中，酸与膨胀石墨比例为20-40ml:1g，强氧化剂与膨胀石墨比例为2-5g:1g，水解反应时去离子水与膨胀石墨比例为40-150ml:1g，双氧水与膨胀石墨比例为5-10ml:1g。

上述方法中，与膨胀石墨混合的酸为浓硫酸、磷酸、硝酸或它们的混合酸；强氧化剂为高锰酸钾、NaNO₃、KNO₃、高氯酸、高铬酸或它们任意比例的混合物。

所述膨胀石墨的粒度为2-500μm。

本发明具有以下优点：制备过程简单，耗时少，通过氧化一步可以得到单层的氧化石墨烯，省去了剥离步骤，通过测量可以看到，所得到的氧化石墨烯厚度均一，为0.8~1.2nm，符合单层氧化石墨烯的尺度。二维宽度为亚微米至微米级。

附图说明

附图为本发明实例1制得的氧化石墨烯的TEM图片。

具体实施方式：

实施例一

一种单层氧化石墨烯的制备方法，包括以下过程：将粒度为2μm的膨胀石墨微粉与浓硫酸在冰水浴中混合，加入强氧化剂高锰酸钾，冰水浴混合搅拌1h，将混合物升温至30℃并持续搅拌1h，随后加入去离子水水解，反应稳定后加入双氧水，所得产物用5%稀盐酸和去离子水反复清洗，离心分离得到单层氧化石墨烯，上述反应过程中，酸与膨胀石墨比例为25ml:1g，高锰酸钾与膨胀石墨比例为3g:1g，水解反应时去离子水与膨胀石墨比例为50ml:1g，双氧水与膨胀石墨比例为10ml:1g。

氧化石墨烯TEM照片参照附图，从图中可以看出氧化石墨烯衬度与微栅的碳膜相当，并且存在较多褶皱。

实施例二