[发明专利]一种催化还原氧化石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及了一种催化还原氧化石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯具有优异的导电性、极高的强度和良好的透光性，它的出现有望在半导体等领域引发一轮革命。目前制备石墨烯的方法很多，包括机械分离法，化学氧化还原法，外延生长法，化学气相沉积法(CVD)等。化学氧化还原法是将天然鳞片石墨在水溶液中氧化剥离得到氧化石墨烯，然后加入还原剂脱去氧化石墨烯的氧化官能团从而得到还原的氧化石墨烯(石墨烯)。相比其它几种方法，化学氧化还原法具有工艺简单，成本低廉等优点。

通过Hummer，Brodie，Staudenmaier等方法可以大规模合成氧化石墨烯。在本发明之前，以前的工作主要是用水合肼及其衍生物做为还原剂去还原氧化石墨烯，但是水合肼及其衍生物具有很强的毒性和挥发性，不能用于大规模的使用，而且还原后的石墨烯会掺杂很多氮原子，影响石墨烯的物理和化学性质。也有研究用碘化氢/乙酸的混合体系来还原氧化石墨烯，但碘化氢具有极强的腐蚀性，限制了该方法的使用。也有研究用硼氢化钠(NaBH₄)，抗坏血酸(VC)等作为还原剂去还原氧化石墨烯，但这些反应需要加热，能耗大，且容易增加石墨烯的缺陷。最近也有研究用Fe、Zn、Al等金属粉末与盐酸反应产生的氢原子去还原氧化石墨烯，但疏水性的金属粉末颗粒较大(200nm～10um)与亲水性的氧化石墨烯的相容性较差，在金属表面产生的氢原子容易结合形成氢气，难以去还原氧化石墨烯，因此还原效率很低(5～30％)。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术存在的不足，提供了一种催化还原氧化石墨烯的方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种催化还原氧化石墨烯的方法，将金属盐溶液加入到氧化石墨烯水溶液中，形成絮状悬浮物后加入NH₃BH₃，利用还原出来的金属颗粒(1～10nm)催化NH₃BH₃水解释放出具有高还原性的初生态的氢原子，然后用游离的氢原子还原氧化石墨烯，最后用稀盐酸洗涤脱去金属颗粒从而得到纯的石墨烯，还原效率达到40～50％。

具体包括以下步骤：

步骤一：通过Hummer法合成出氧化石墨烯，将1mg氧化石墨烯加入到0.5～100mL去离子水中50W超声分散，得到质量浓度为0.01～2mg/mL氧化石墨烯水溶液；

步骤二：加入0.1～10mL摩尔浓度为10^-5～10^-1mo l/L金属盐溶液到步骤一中的氧化石墨烯水溶液中，形成褐色絮状悬浮物；

步骤三：加入0.1～10mL质量浓度为1～100mg/mL的NH₃BH₃水溶液到步骤二中的悬浮溶液中，得到黑色沉淀；

步骤四：将步骤三中的黑色沉淀离心，再用1～10mL体积浓度为1％-10％盐酸洗涤3～6次，去除黑色沉淀中的金属颗粒，再用去离子水洗涤3～6次，冷冻干燥，得到还原的氧化石墨烯粉末。

进一步，步骤一中所述氧化石墨烯水溶液是将1mg氧化石墨烯加入到1～20mL去离子水中，得到质量浓度为0.05～1mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

进一步，步骤二中所述金属盐溶液是将10^-4～10^-2mol的金属盐加入到1L去离子水中，金属盐的摩尔浓度为10^-4～10^-2mol/L，所述金属盐包括溶解于水的含钴、铁、铜或镍类的氯化物、硫酸盐或硝酸盐；

进一步，步骤三中所述的NH₃BH₃溶液是将50～500mg NH₃BH₃的加入到10mL去离子水中，NH₃BH₃的质量浓度为5～50mg/mL；

进一步，步骤四中所述稀盐酸是将10mL体积浓度为30％浓盐酸加入到40～140mL的去离子水中，稀盐酸的体积浓度为2～6％。

本发明针对目前化学还原法制备石墨烯用水合肼等毒性还原剂及金属颗粒/盐酸还原体系的还原效率低等缺点，采用NH₃BH₃作为还原剂催化还原氧化石墨烯，其优点和有益效果是：

(1)避免使用了水合肼及其衍生物、碘化氢等具有强毒性、挥发性、腐蚀性的化合物作为还原剂，具有环保和安全等特点；