[发明专利]一种改良Hummers法制备氧化石墨烯的方法及其制得的氧化石墨烯

说明书

本发明公开了一种改良Hummers法制备氧化石墨烯的方法及其制得的氧化石墨烯，属于石墨烯制备技术领域。该方法包括：将石墨和高锰酸钾按重量比为1：(3‑8)的比例混合均匀后在搅拌条件下加入预热的浓硫酸，并在45‑86℃的条件下搅拌反应2min‑40min；向反应体系中加入预热的补加酸，并在前述温度条件下继续搅拌反应3min‑50min，得到反应产物；以及将反应产物中的沉淀物清洗后加入去离子水稀释，得到氧化石墨烯水溶液。本发明的制备方法简单、花费的时间少、易于实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体涉及一种改良Hummers法制备氧化石墨烯的方法以及制得的氧化石墨烯。

背景技术

氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)作为石墨烯重要的衍生物，是一种单原子厚度的二维碳片层结构，具有多种含氧基团，如位于GO片层边缘的羧基，位于GO片层上的环氧基和羟基等。氧化石墨烯经典的C/O比为2，常见的制备方法有Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。其中，Hummers法制备过程的时效性相对较好，并且制备过程也比较安全，是目前最常用的一种。传统的Hummers法制备氧化石墨烯，大致可分为三个阶段：(1)低温阶段：在0℃左右用浓硫酸和高锰酸钾初步氧化石墨，石墨边缘逐渐被氧化，形成含氧官能团；(2)中温阶段：将温度提高至35℃左右，让高锰酸钾进一步完成氧化石墨；(3)高温阶段：通过油浴或者水浴将温度提高到98℃，解离氧化石墨上的含硫基团。但是，由于其制备工艺中诸多因素影响最终产物的组成、结构和性能，如：反应的温度以及时间、还原剂的选择、氧化剂的种类等。因此，为了进一步提高生产效率以及产品质量，改良的Hummers法应运而生。

目前，基于Hummers法所发展的现有改良Hummers法，其基本原理是石墨在强酸(如浓硫酸、浓硝酸)和强氧化剂(如KMnO4)的共同作用下，使其固有结构被打破，得到不同氧化程度的氧化石墨，然后经长时间的超声或者剧烈的机械搅拌得到氧化石墨烯的水溶液，最终制得氧化石墨烯。

然而，虽然现有方法对氧化石墨烯的制备进行了较大的改进，但生产效率仍然较低，Hummers法以及目前出现的改良Hummers法制备时间一般为2h-5d，不能满足工业化大规模快速制备的需要。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种改良Hummers法制备氧化石墨烯的方法，以解决现有制备工艺制备时间长、生产效率低的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种氧化石墨烯，其性能优良、原料廉价易得、制备方法简单、花费的时间少、易于实现工业化生产。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种改良Hummers法制备氧化石墨烯的方法，包括：

(1)将石墨和高锰酸钾按重量比为1：(3-8)的比例混合均匀后在搅拌条件下加入预热的浓硫酸，并在45-86℃的条件下搅拌反应2-40min；其中，浓硫酸的加量为：每1g石墨加入15-35mL浓硫酸；浓硫酸的预热温度为30-71℃；

(2)向反应体系中加入预热的补加酸，并在与步骤(1)温度相同的条件下继续搅拌反应3-50min，得到反应产物；其中，补加酸的加量为：每1g石墨加入10-25mL补加酸；以及

(3)将反应产物中的沉淀物清洗后加入去离子水稀释，得到氧化石墨烯水溶液。

本发明省去了现有Hummers法的低温插层、中温氧化和高温剥离的三个步骤，整个反应过程从开始反应时起温度均保持不变，使得整个反应在近乎一个步骤完成插层、氧化和剥离步骤，极大地节约了反应时间，提高了生产效率。并且，本发明的改良Hummers法在反应条件上、原料的配比上等方面严格控制，其既能保证反应快速、安全的进行，又能保证最终制备出的氧化石墨烯产品质量不受影响。