[发明专利]一种稀土表面改性石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的表面改性领域，具体涉及一种稀土表面改性石墨烯的方法，改善石墨烯分散性差及与基体的相容性差等问题的研究。

背景技术

石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。由于其独特的分子结构，石墨烯具有很多远超金属的优异特性：比如金属中导热系数最高的是银的导热系数是429W/mK, 而单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK；石墨烯的杨氏模量大于1000GPa，抗拉强度达到13GPa，是钢的100倍。正是这些特性，石墨烯被广泛尝试应用于导电材料、散热材料、新能源材料等诸多领域。但是石墨烯也面临着一些难题，由于其高表面能，在体系中则倾向于发生团聚来降低比表面能，这就导致了石墨烯在应用过程中表现出与基体相容性差、分散性差等问题，制约其发展；而稀土元素素有“工业维生素”之称，在石油、化工、冶金、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都得到了广泛的应用，但其化学性质活泼，在添加过程中容易造成烧损，也造成很大的浪费；

考虑到石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子，以及稀土元素由于其特殊的4f 电子层结构而具有突出的化学活性常作为表面活化剂和浅层渗入元素, 在表面工程领域得到广泛应用。采用稀土对石墨烯进行表面改性, 在提高石墨烯与基体的结合力的同时也方便地将稀土元素引入体系中；

经过对国内外相关文献检索表明，人们采用稀土对石墨烯进行表面改性，采用的方法主要有二种：第一种多使用中间有机物，将石墨烯与稀土元素共同包覆在一起，在使用时相当于引入杂质相；再者是采用复杂的化学反应来实现其表面改性，这种方法虽然可以达到很好的效果，但步骤繁复。比如一种氧化石墨烯基稀土复合物催化材料及其制备方法，该催化材料由钙钛矿型稀土氧化物、氧化石墨烯和添加剂经水热方法制备而成，在此后的使用过程中添加剂也进入系统中。另外同济大学王国建等将氧化石墨烯分散液与可溶性稀土化合物按重量比1:1~1:10均匀混合，加入还原剂，在一定温度下反应获得石墨烯~稀土氧化物纳米复合材料，但此法是用水热法在反应釜中密闭进行，对反应过程不能直接观察，由于水热法有高温高压的步骤，使其对生产设备的依赖性比较强（耐温耐高压的钢材，耐腐蚀的内衬），而且安全性能差，容易爆炸。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种稀土表面改性石墨烯的方法，克服了石墨烯在应用过程中出现与基体相容性差、分散性差等问题；也解决稀土元素在添加过程由于其活泼的化学性质容易造成烧损的问题，此方法基于稀土离子稀土元素由于其特殊的4f 电子层结构而具有突出的化学活性常作为表面活化剂和浅层渗入元素和石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子的特性来实现。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种稀土表面改性石墨烯的方法，具体步骤如下

a、将浓硝酸和浓硫酸以1:1~1:3的体积比配制成10~20mL混合酸溶液A，备用；

b、将1~1.3g的石墨烯加入至所述混合酸溶液A中进行表面粗化处理，浸泡1~3h后通过多次的离心处理，离心的转速依次加快，然后过滤，再用去离子水洗涤多次至pH值为中性，干燥后得到表面粗化后的石墨烯，备用；

c、预先配制90~110mL物质的量浓度为0.05~0.1mol/L的稀土硝酸盐溶液B，滴加碱性溶液调节PH呈弱碱性，备用；

d、称量1~2g步骤b中得到的表面粗化后的石墨烯加入到上述稀土硝酸盐溶液B中，搅拌1~3h，过滤干燥，得到表面粗化后的石墨烯和稀土硝酸盐的混合物C；

e、将步骤d的混合物C的水溶液和还原剂以100:3~100:5的比例加入到烧瓶中，进行冷凝回流20~28h，过滤干燥即得稀土表面改性后的石墨烯。

优选的，步骤a中所述的浓硝酸浓度为78%，浓硫酸浓度为98%。

优选的，所述多次离心的转速分为以下几个阶段：

1~2次离心的转速为2000~3500 r/min，时间为20~40min；

3~4次离心的转速为3500~5000 r/min，时间为20~40min；

5~6次离心的转速为5000~8000 r/min，时间为20~40min；

7~n（n≥7）次离心的转速为8000~12000 r/min，时间为20~40min。

优选的，步骤c中所述碱性溶液为氢氧化钠溶液。

优选的，步骤d中所述稀土硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸钇、硝酸镨、硝酸钕、硝酸钐、硝酸铕、硝酸钆、硝酸铽、硝酸镝、硝酸钬或硝酸铒中的一种或者多种。