[发明专利]一种易分散的石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种易分散的石墨烯的制备方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学的AndreK.Geim等人首先利用剥离法制备了石墨烯，石墨烯一经问世就引起了全世界的轰动。石墨烯具有完美的晶格结构和独特的力学、光学、电学及热学等性质，使其在电子器件、储能器件、薄膜材料以及复合材料等领域有着广阔的应用前景。

目前，石墨烯的制备有机械剥离法、氧化还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等，其中氧化还原法制备成本低廉且容易实现，成为制备石墨烯的最佳方法。但由于石墨烯具有极高的比表面积，使其在还原中很容易团聚，因此需要改善其分散性。

目前，对于石墨烯的分散性改性有共价键以及非共价键改性两种方法，共价键改性一般是利用氧化石墨烯与重氮盐、聚乙烯醇等物质反应，然后再对所得物质进行还原制备分散性较好的石墨烯；而非共价键改性是利用石墨烯与改性物质(磺化聚醚醚酮、聚对苯乙烯磺酸钠等)进行非共价键相互作用(离子键、氢键以及π-π相互作用等)制备分散性较好的石墨烯。相对于共价键改性，非共价键改性未破坏石墨烯的结构，更能保留石墨烯优良的性能，有利于制备高性能的石墨烯，因此备受青睐。

目前，利用非共价键改性来提高石墨烯分散性的物质一般为离子型表面活性物质(十二烷基苯磺酸钠、胆酸钠、磺化聚醚醚酮、1-芘丁酸等)，由于它们自身带有电荷、稳定性易受溶液pH值变化的影响，因此它们对石墨烯的分散稳定性也易受溶液pH值变化的影响，同时它们制备的石墨烯浓度一般较低。因此，制备易于分散且分散状态稳定、分散浓度高的单层石墨烯是人们的迫切需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种采用萘系非离子表面活性剂制备易分散的石墨烯的方法，该表面活性剂HLB值适中、合成工艺简单、成本低廉，采用该表面活性剂制备得到的石墨烯易分散于多种溶剂中，并且在pH值为4～12范围内，仍能很好地溶于水中。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种易分散的石墨烯的制备方法：将氧化石墨超声分散于去离子水中得到氧化石墨烯分散液，再向所述分散液中加入萘系非离子表面活性剂并混合均匀，随后加热至80～90℃，加入还原剂反应9～12h，冷却至室温，后处理(抽滤、洗涤、干燥)得到易分散的石墨烯。

非离子表面活性剂在溶液中不是以离子状态存在，不易受强电解质存在的影响，也不易受酸、碱的影响，因此其稳定性高，且相容性好。

按上述方案，所述氧化石墨采用改进的Hummers法制备。按上述方案，所述萘系非离子表面活性剂结构式为：

其中n为16或22，对应的萘系非离子表面活性剂的HLB值分别为16.7、17.5。

按上述方案，所述氧化石墨烯分散液浓度为1～1.5mg/mL，所述萘系非离子表面活性剂与分散液的质量体积比为0.02～0.04g/mL。

优选的是，所述还原剂为水合肼和硼氢化钠，还原剂与氧化石墨质量比为10～30:7。

本发明还包括根据上述方法得到的易分散的石墨烯，所述石墨烯易分散于溶剂水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、乙醇、二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种，并且在pH值为4～12范围内，仍能很好地溶于水中。

如果萘系非离子表面活性剂的HLB值太小，表面活性剂疏水部分萘环与石墨烯之间的相互作用相对于亲水部分与水之间的相互作用太大，亲水部分与水之间的相互作用不能提供足够的作用力使石墨烯很好的分散在水中；只有HLB值适当，表面活性剂与石墨烯、水之间的相互作用才能达到平衡，从而使石墨烯很好的分散在水中。

本发明的有益效果在于：本发明采用制备工艺简单、成本低廉、HLB值适中的萘系非离子表面活性剂改性石墨烯的分散性，所述表面活性剂以π-π相互作用吸附到石墨烯表面，使制备的石墨烯能以单层结构分散于水或有机溶剂中，稳定性好且能达到很高的浓度(高达1mg/mL)；另外，由于萘系非离子表面活性剂在石墨烯的制备过程中不受酸碱化学环境的影响，同时其溶解度受pH影响很小，这使得制备的单层石墨烯可以在不同pH环境下稳定存在于水中。本发明方法制备工艺简单，成本低廉，适合大规模生产单层石墨烯。

附图说明

图1为本发明对比例1及实施例1-3所制备的石墨烯分散于水中的照片；

图2为实施例1所制备的石墨烯分散在pH值为4～12的水溶液中的照片；

图3为实施例1所制备的石墨烯分散于不同溶剂中的照片；