[发明专利]一种石墨烯水溶液的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯水溶液的制备方法，属于纳米新材料技术领域。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化方式键合形成的具有六方点阵蜂窝状结构的纳米碳材料，属于一种新型的二维晶体材料。石墨烯具有良好的导电性、导热性、光学透过性以及特殊的力学特性和电子学特性，在能源存储、透明导电器件、复合材料以及光电子器件等领域都具有很好的应用前景。因此，石墨烯目前已成为材料学、物理学和化学等多个学科领域内的研究热点。在产业化方面，由于各种制备技术的发展，石墨烯产品的开发近年来也取得了显著的进展。

稳定分散石墨烯溶液对于石墨烯在能源存储、透明导电器件和复合材料等领域中的应用非常重要。研究表明，未经表面改性的石墨烯粉体通常为疏水性材料，在水和醇类溶剂中不能稳定分散，而在N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)以及二甲基亚矾(DMSO)等高沸点有机溶剂中具有较好的分散性。然而，由于难以完全去除，这些溶剂的使用和残留往往会对相应产品的性能造成不良的影响，不利于石墨烯的实际应用。因此，探索石墨烯在低沸点、易去除溶剂(如水和乙醇)中的稳定分散具有重要意义。

目前，在大量的文献报道中，一般使用表面活性剂、聚合物等分散试剂促进石墨烯在水中的稳定分散，或者先对氧化石墨烯边缘进行化学修饰处理，使得表面形成亲水性基团，然后通过还原氧化石墨烯水溶液获得稳定的石墨烯水溶液。如，Sasha Stankovich等人在Nature，2006,442,282–286一文中报道了以聚苯乙烯磺酸钠为分散剂，还原氧化石墨烯获得稳定的石墨烯水溶液的方法。2008年，Yongchao Si等在NanoLetters，2008，8，1679-1682一文中报道了一种化学修饰改性制备石墨烯水溶液的方法，他们先用重氮盐的磺胺酸溶液处理氧化石墨烯，获得磺酸基修饰的氧化石墨烯，然后在水相中还原氧化石墨烯获得石墨烯水溶液。然而，在这些方法中，所得到的石墨烯分散体系中往往含有残留的表面活性剂、聚合物、化学修饰改性剂等杂质，很难去除，且对石墨烯的应用也是不利因素。因此，对于石墨烯在水相的分散，能否找到一种简单有效，且容易去除的分散剂非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯水溶液的制备方法，主要以石墨烯量子点为分散剂，利用石墨烯量子点在水溶液中良好的分散性，及其与石墨烯片层之间较强的非共价作用，促进石墨烯粉体在水相的稳定分散，从而获得稳定的石墨烯水溶液。

本发明是通过以下具体技术方案实现：

步骤1：制备石墨烯粉体、石墨烯量子点和水的混合物，获得石墨烯悬浊液；。所述石墨烯量子点为各种碳源经强酸氧化法、二次氧化法、水热法或溶剂热法制备得到，其中量子点的碳和氧原子含量比为2：1-20：1，平均横向尺寸小于100nm。所述石墨烯粉体，可以是还原氧化石墨烯或经液相剥离制备得到的高质量石墨烯，厚度为1-10个原子层。所述石墨烯粉体和石墨烯量子点的质量比可以为1:0.2-10，石墨烯在水中的含量可以是0.01-5mg/mL。

步骤2：机械分散上述悬浊物，获得稳定的石墨烯水溶液。所述机械分散方法可以是搅拌分散、超声分散、研磨或球磨分散。

总而言之，本发明公开了一种石墨烯水溶液的制备方法。利用石墨烯量子点作为分散剂，在水溶液中与石墨烯片发生非共价结合，促进石墨烯在水中的分散，从而获得可稳定分散的石墨烯水溶液。本方法提供了一种可在水相中分散石墨烯的方法，本方法以石墨烯量子点辅助分散，可获得稳定的石墨烯水溶液，分散浓度最大可达5mg/mL，克服了以往在水中分散石墨烯粉体必须引入表面活性剂和聚合物等难去除添加剂的问题，且本发明提供的制备方法具有操作工艺简单，耗时短；非常适合石墨烯水溶液的批量制备。

附图说明

图1为本发明提供的石墨烯水溶液的制备工艺流程图；

图2为实施例1中制备得到的石墨烯水溶液图片(a)及石墨烯水溶液的吸收度与放置时间的关系(b)。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案，以进一步阐明本发明的实质性特点和显著地进步。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本发明决非仅局限于所述的实施例。