[发明专利]高浓度氧化石墨烯溶液及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种高浓度氧化石墨烯溶液及其制备方法和应用，包括步骤如下：配制0.1mg/mL～10mg/mL的低浓度氧化石墨烯溶液；对低浓度氧化石墨烯溶液进行第一细化；及对第一细化后的溶液进行加浓度处理，得到高浓度氧化石墨烯溶液；其中，加浓度处理包括于第一细化后的溶液中添加氧化石墨烯进行第二细化，并调节第二细化后的溶液pH值至4～5。通过该特定工艺可获得具有良好流动性的高浓度氧化石墨烯溶液，利用该高浓度氧化石墨烯溶液可获得具有良好综合性能的石墨烯宏观体，应用于能源、生物、环保等多个领域。该方法成本低，工艺简单，可适用于大规模的工业化生产。

技术领域

本发明涉及石墨烯领域，具体涉及一种高浓度氧化石墨烯溶液及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯的出现是二维纳米材料领域的一项重要突破，其具有优异的光学、电学、力学特性，被认为是一种未来革命性的功能材料和结构材料，目前已在能源、环境、生物医疗、电子器件和航空航天等领域产生了重要的影响。氧化石墨烯属于一种准二维纳米材料，是石墨烯的一种重要衍生物，具有丰富的含氧官能团。氧化石墨烯具有不同于石墨烯的诸多优异物理化学性质，并且制备工艺简单、成本低廉，应用前景也非常广阔，近年来逐渐受到人们的重视。研究表明，氧化石墨烯表面由于存在羟基、羧基、环氧基等亲水基团，因此在水等溶剂中具有良好的分散性，并且易于组装如氧化石墨烯纸、氧化石墨烯纤维、氧化石墨烯气凝胶等多种形式的宏观体应用于能源、电子、环保等领域。分散稳定、高浓度的氧化石墨烯溶液是获得上述氧化石墨烯宏观材料的关键原料。

氧化石墨烯溶液在其实际应用中，若想要发挥其优异的性能，提高其在水或其他分散体系中的浓度至关重要，可以改善宏观体的形貌、致密度、孔隙率、机械强度以及电导性、热导性等多种性能。目前市售的氧化石墨烯溶液的浓度为0.1～10mg/mL，由于其溶液浓度较低导致其直接构筑得到的氧化石墨烯宏观体会存在很多问题，如一维氧化石墨烯纤维机械强度较差、二维氧化石墨烯膜厚度较低以及三维氧化石墨烯气凝胶孔隙率较低等多种问题。然而，在制备高浓度的氧化石墨烯溶液过程中会受到溶液粘度较高问题的制约，不利于其组装宏观体性能的提升。因此，如何获得高浓度的氧化石墨烯溶液成为制约其进一步应用的关键。

目前，已有关于高浓度石墨烯分散液和高浓度氧化石墨烯分散液的研究报道。中国专利CN 110330012A公开了一种对层状石墨悬浮液进行剪切制备石墨烯分散液的方法。但该方法所用的原料为未经过机械剥离的膨胀石墨或层状石墨等原料，并非市面上提供的经过剥离后片层数可达10以下的氧化石墨烯原料；中国专利CN 109205608A公开了一种通过将溶剂化的氧化石墨置于特定溶剂中，并进行搅拌或超声制备得到浓度可调节的氧化石墨烯分散液。但该方法需要采用特定的有机溶剂，并且耗时耗力，限制了其产业化应用；中国专利CN 108862267A公开了一种通过膜分离技术对氧化石墨烯溶液进行浓缩的方法，但该膜分离装置除了膜和再生膜部件外，还涉及控温装置、动力装置等，设备部件较为复杂；中国专利CN 104495807A公开了一种通过特定尺寸和羟基分布的氧化石墨烯得到的高浓度耦合磁矩氧化石墨烯，但市面所售的氧化石墨烯多通过Hummers法制备得到，并且氧化石墨烯氧化程度、官能团种类等与所需的特殊精确结构的氧化石墨烯存在很大差异，不具有普适性。

可见，提供一种高浓度氧化石墨烯溶液及其制备方法是扩展其应用前景的一种重要技术手段。

需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种高浓度氧化石墨烯溶液及其制备方法和应用，以解决现有氧化石墨烯溶液难以提高浓度，或在制备高浓度氧化石墨烯溶液过程中会受到溶液粘度较高问题的制约，不利于提高其组装宏观体性能的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：