[发明专利]一种制备高比表面积还原氧化石墨烯粉体的方法

说明书

本发明公开一种高比表面积还原氧化石墨烯粉体的制备方法，将氧化石墨预先配成预还原的前驱体溶液，通过设计连续工艺，在溶剂快速挥发过程中实现了氧化石墨的干燥、剥离和还原可控，减少了氧化石墨由于片层堆叠产生的团聚，并通过片层表面含氧官能团的还原分解促进热剥离膨胀，从而制备出高比表面积的还原氧化石墨烯。本发明方法将干燥、剥离和还原相耦合，制备方法简单、高效和连续化，制备的还原氧化石墨烯粉体比表面积大、还原度可控，满足在复合材料、能源、催化等领域的广泛应用。

技术领域

本发明属于新型纳米材料技术领域，具体涉及一种可规模化制备还原氧化石墨烯粉体的方法。

背景技术

石墨烯是单层碳原子厚度的二维片状材料，因其特殊的自身结构，具有比表面积较高、导热导电性能优异、阻隔性能好等特性。但与此同时，稳定的六元环结构和碳材料表面化学惰性，使其难以与其他材料发生相互作用；片层之间较强的范德华力使其易于团聚，难以分散，这些问题都极大限制了石墨烯在复合材料、能源、催化等领域的应用。还原氧化石墨烯作为一种功能化石墨烯，主要通过氧化还原法制得，由于表面仍有部分含氧官能团，具有较好的化学活性。常规氧化还原法主要分为三步：(1)首先采用强氧化剂来氧化片状石墨粉，制备得到氧化石墨；(2)其次采用超声对稀氧化石墨分散液溶液进行剥离，获得低浓度氧化石墨烯浆料；(3)最后采用不同还原方法制备还原氧化石墨烯。其中，步骤(2)和步骤(3)过程相互是独立，严重制约了涉及的剥离、干燥和还原过程的效率提升。同时，制备的还原氧化石墨烯粉体的比表面积的差异，也会影响后续应用中石墨烯的高附加值体现，急需寻求一种将快速有效获得高比表面积还原氧化石墨烯粉体的制备方法。

氧化石墨的热剥离将剥离与还原相结合，通过高温分解层间含氧官能团产生的CO₂使得片层剥离，并且在剥离同时还原得到还原氧化石墨烯。专利CN101935035B报道称氧化石墨成功剥离的最低温度为550℃，想要达到彻底剥离，温度需1000℃以上。为了降低热剥离所需温度能耗，专利CN101935035A引入真空条件成功将温度降低至200℃，但真空体条件不仅对设备带来挑战，同时对密度较小的石墨烯粉体收集带来麻烦。此外，常规热剥离过程通常需要将其干燥成粉体形式，这使得干燥过程与热剥离过程的关联尤为重要。因此，需求一种常压连续干燥热剥离氧化石墨的技术，将预干燥过程和热剥离过程耦合，有效减少剥离所需能量，提高高比表面积还原氧化石墨烯制备的效率，这对发展石墨烯新材料技术领域具有重要意义。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提出了一种制备高比表面积还原氧化石墨烯粉体的方法，以氧化石墨浆料为原料，连续制备还原氧化石墨烯粉体。该方法有效地将干燥与热剥离过程相耦合，实现了高效剥离氧化石墨，并有效降低了热处理温度，实现低温高效剥离并制备还原氧化石墨烯粉体，流程连续、装置简单，得到的还原氧化石墨烯产品具有还原度可控、比表面积高等特点，解决了常规热剥离制备还原氧化石墨烯粉体剥离效果较差的问题。

为实现上述目的，本发明公开了一种制备高比表面积还原氧化石墨烯粉体的方法，包括如下步骤：

(1)预还原前驱体浆料的配制：将酸性氧化石墨滤饼用水稀释，并用碱调pH至9-10，搅拌分散均匀，制得具有一定粘度的预还原的前驱体浆料；其中，酸性氧化石墨滤饼是由改进的Hummers法制备氧化石墨，并通过稀盐酸(3.5wt％)进行纯化洗涤得到的。滤饼是工业上成熟的产品，如可以选购自镇江迪博新材料有限公司产的酸性氧化石墨滤饼；调节pH的目的是将原有酸性氧化石墨悬浮液转变为分散液或者浆料，便于提高前驱体的均匀性和稳定性，同时碱性物质可以使得氧化石墨预还原。可采用易挥发的碱性物质即可，比如氨水，碳酸铵，碳酸氢铵等；通过低速搅拌均匀分散，分散机在0-500rpm分散即可，时间可以控制在0-10min内，低速和短时间的分散都是为了不破坏氧化石墨的原有的层状结构；