[发明专利]一种制备氧化石墨的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米石墨导电材料领域，具体涉及一种由石墨制备氧化石墨的制备方法。

背景技术

石墨烯由于具有优异的机械、电学、热学和光学特性，在电池材料、复合材料、电子器件和储能材料等多个领域具有广泛的应用前景。因此石墨烯的制备一直是人们关注的焦点。目前已经报道的制备方法主要有机械剥离法，外延生长法，化学气相沉积法和氧化还原法。其中前三种方法因操作复杂，条件苛刻或产率低下难以应用到大规模生产中。相比而言，氧化还原法由于其成本低廉，剥离效率高，操作简便，产量大等优点被许多研究工作者采用，并最有可能实现规模化制备。

目前氧化还原法制备石墨烯都需要先将石墨经过氧化处理得到氧化石墨，再将其剥离成单层或薄层氧化石墨烯，最后还原得到石墨烯。而氧化石墨的制备方法主要有三种：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。由于前两者在制备过程中需要相当长的周期，人们经常使用Hummers法制备氧化石墨。但是Hummers法也有诸多缺点，如：需要耗费大量的酸和水，产率低下（最终产物浓度仅为0.01g/ml），从而造成人工投入过多和设备投资巨大。

发明内容

为了解决现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种制备氧化石墨的工艺方法。通过在制备氧化石墨时减少酸的用量，同时在水解反应步骤中添加少量的冷水，高效率、高浓度地制备氧化石墨。该工艺方法可以有效地降低原料物料的消耗，减小了对反应容器体积的要求，大大提高了浆料中产物的浓度。而且其得到的氧化石墨经还原后得到的石墨烯还具有更高的电导率。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种高浓度地制备氧化石墨的方法，包括以下步骤：

取石墨，高锰酸盐和浓硫酸置于容器内，在冰浴下进行混合；再于15~30℃水浴下，继续反应20分钟~2小时；往容器中加冷水，得含氧化石墨的浆料；最后加入双氧水，经过滤、洗涤及干燥后，得到氧化石墨粉末；

其中，在制备上述含氧化石墨的浆料时，加入的冷水与浓硫酸的质量比为0.25~0.55:1。

上述的冷水与浓硫酸的质量比大于0.55g:1g时，即添加过多的水时会降低产物浓度，增大所需反应容器的体积，降低生产效率；上述的冷水与浓硫酸的质量比小于0.25g:1g时，即添加过少的水时，会使体系升温过高，甚至超过110℃，带来安全上的隐患。

为了提高产物浓度和减少原料成本，同时考虑到石墨的氧化效果，上述的石墨和浓硫酸的添加量之比优选为1g:10~32g。当上述的石墨和浓硫酸的添加量之比小于1g:32g时，即添加过多的硫酸时，会增加硫酸物料的消耗成本，增加后续加入水的量，降低产物中氧化石墨的浓度，从而降低生产效率；当上述的石墨和浓硫酸的添加量之比大于1g:10g时，即添加过少的硫酸时，则石墨不能被硫酸充分插层，而且游离的硫酸过少会使整个反应体系黏度增加，无法传质传热，从而使反应不能进行。

由于本发明中硫酸的加入量比传统的Hummers法要少，会稍微影响反应体系的传质传热；如果在15~30℃水浴下进行的氧化反应中传质传热不充分或者中途意外停止，体系的黏度和温度会出现上升，甚至导致失控，而根据文献记载当温度达到95℃以上时可能有爆炸的危险，建议在反应过程中密切关注体系温度，控制不要超过65度。

为了减少水的用量从而提高产物浓度，同时考虑到水解效果后，上述的石墨和冷水的添加量之比优选为1g:5~15g。上述的石墨与冷水的添加量之比小于1g:15g时，即添加过多的水时，会降低产物中氧化石墨的浓度，所需反应容器的体积也相应增大，从而降低生产效率；当上述的石墨和冷水的添加量之比大于1g:5g时，即添加过少的水时，会使氧化石墨的前驱体在加水步骤中水解不充分，还可能会使体系升温过高带来安全上的隐患。

考虑到石墨的氧化效果和成本，上述的石墨和高锰酸盐的添加量之比为1g:1.6~2.4g。

考虑到高锰酸盐化合物原料来源的广泛性，上述的高锰酸盐类化合物优选为高锰酸钾或高锰酸钠中的一种或两种。

为了在加水步骤中避免让整个反应体系温度上升到高于110℃从而带来安全隐患，本发明中加入的水为冷水，并且这些冷水需要迅速地全部加入。所述的冷水优选为冰水混合物或温度为0~25℃的水中的一种或两种。进一步优选冰水混合物或0~10℃的水中的一种或两种。

石墨没有特别限定，考虑到产物的性能和原料来源的广泛性，优选为100目~6500目的天然鳞片石墨、人造石墨、可膨胀石墨或膨胀石墨。