[发明专利]利用氧化还原法快速提纯制备高纯度的氧化石墨烯产品的方法

说明书

本发明涉及化学合成领域，具体而言，涉及一种利用氧化还原法快速提纯制备高纯度的石墨烯产品的方法。所述方法包括以下步骤：A)制备预提纯的氧化石墨烯浆料；B)制备还原程度可控的石墨烯分散液；C)制备高质量的石墨烯；D)制备氧化程度可控的氧化石墨烯。根据本发明的方法采用清洗部分还原的石墨烯分散液，避免了提纯周期长的问题，利用循环过滤系统实现了杂质离子的快速脱出，低成本制备了高质量的石墨烯产品。并且分散性良好的部分还原石墨烯分散液，解决了石墨烯片层较厚以及团聚的问题。

技术领域

本发明涉及化学合成领域，具体而言，涉及一种利用氧化还原法快速提纯制备高纯度的石墨烯产品的方法。

背景技术

自2004年曼彻斯特大学的A.K.Geim领导的研究组提出石墨烯(Graphene)的概念以来，石墨烯作为碳家族的另外一颗璀璨明星，得到了物理、化学及材料学家的高度重视(Science 2004,306:666.)。因其具有超高电导率、极快的电子传输速度、高硬度、高比表面积以及室温量子霍尔效应等一直备受瞩目(Nat.Mater.2007,6,183；Science 2009,324,1530.)。然而，目前石墨烯的量产产品品质层次不齐，高质量的石墨烯产品价格昂贵，严重阻碍了石墨烯的应用进程。因此，宏量制备高质量且价格低廉的石墨烯系列产品，已成为目前石墨烯应用开发方面的主要瓶颈，也是急需解决的问题。

2006年Stankovich等通过将石墨进行氧化制备了氧化石墨烯，并采用肼还原脱除氧化石墨烯上的含氧基团，最终得到了石墨烯材料。该方法原料廉价、设备要求低、操作简单成为了最具应用潜力和发展前途的石墨烯制备方法。然而，在实际生产过程中，氧化还原法制备的中间产品氧化石墨溶液，由于富集羟基、羧基和环氧基等亲水官能团，表现出强烈的亲水性，并且随着提纯的深入，与水形成分散性良好的水凝(溶)胶难以分离，阻碍了石墨烯产品的批量化生产。目前采用的离心分离设备，由于设备的要求高，且随着清洗次数的增多氧化石墨的强亲水特征，造成了分离纯度低，且设备能耗高。在工业化生产中为了解决这一问题，通过添加分离剂，改变氧化石墨的强亲水性，达到提纯的目的。然而，这种方法破坏了氧化石墨烯的分散性，使得后续生产的石墨烯产品的片层较厚且团聚问题非常严重质量得不到保障。利用透析提纯法，让杂质小分子通过透析膜扩散到水中达到分离提纯，设备投入小，且运行能耗低，但是由于在实际生产中，氧化石墨烯表面丰富的官能团对杂质离子形成了强烈的束缚作用，杂质离子不能很好的从氧化石墨烯间隙以及边缘脱离出来，从而严重阻碍了杂质离子的脱出，实际操作中需要不停的更换去离子水，造成了水资源的严重浪费，以及杂质离子的去除缓慢问题。此外，氧化石墨烯在水相中轻薄的片层漂浮状态，在透析过程中常常造成严重的膜堵问题，而氧化石墨烯强烈的耐腐蚀性能，使得膜管不能通过原位的酸碱清洗恢复，膜管消耗巨大，很难实际应用。因此，为了实现石墨烯系列产品的量化制备，以及自然资源的合理应用，必须解决以上问题，才能使石墨烯系列产品的成本降低，批量应用成为可能性。

发明内容

在本发明中利用预提纯的氧化石墨烯，控制还原得到分散性良好的石墨烯分散液，利用循环过滤系统对部分还原的石墨烯进行清洗，其清洗速度是现有技术清洗氧化石墨烯产品的10倍以上，能耗是现有技术的约1/10，并且实现优异形貌石墨烯的制备。此外，还利用清洁氧化试剂再次氧化部分还原的石墨烯，得到高纯度的氧化石墨烯产品。

本发明的目的在于提供一种利用氧化还原法快速提纯制备高纯度的石墨烯产品的方法，该方法可以低成本批量化生产石墨烯产品。所述方法包括以下步骤：

A)制备预提纯的氧化石墨烯浆料：以石墨、浓硫酸和高锰酸钾为原料，利用常规的化学氧化的方法制备氧化石墨，在所述化学氧化法中需经过多次的自然沉降之后达到粘度方可作为后续处理的样品。

B)制备还原程度可控的石墨烯分散液：在步骤A)制备的预提纯的氧化石墨烯浆料中加入适量的还原试剂并且严格控制还原温度和时间，得到分散性良好的部分还原的石墨烯分散液。