[发明专利]一种无过氧化氢淬灭反应制备氧化石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种无过氧化氢淬灭反应制备氧化石墨烯的方法，包含以下操作：将石墨与浓硫酸混合搅拌，所述石墨与所述浓硫酸混合的量为每克石墨加入25～500ml的浓硫酸混合，加入氧化剂，然后升温至15～100℃，持续搅拌，加水，至溶液逐渐变成黄色，即得氧化石墨烯溶液。本发明制备氧化石墨烯的过程中没有过氧化氢的淬灭反应，制备所得产品颜色为亮黄色，表明本发明制备所得产品具有较高氧化程度、性能优异；进一步的，本发明方法不需要加入过氧化氢，降低了GO被还原的可能性，并在工艺上更加直观可控且安全环保，大幅降低生产成本，在氧化石墨烯的工业化生产中带来巨大的优势。

技术领域

本发明涉及氧化石墨烯的制备方法，特别涉及一种无过氧化氢淬灭反应制备氧化石墨烯的方法。

背景技术

自2004年Novoselov和Geim等人发现石墨烯以来，全世界掀起了石墨烯的革命浪潮。早在19世纪50年代氧化石墨烯首次被合成，发展至今，已有近两个世纪，氧化石墨烯的工业化生产现在已成为热门，虽然已有较为成熟的氧化石墨烯生产商，例如：AngestronMaterials、Vorbeck Materials、第六元素材料技术等，但是低成本、高质量、高效率制备氧化石墨烯依然是迫切需要解决的问题。氧化石墨烯的工业化生产以湿法化学方法为主，所以，基于Hummers法制备氧化石墨烯的工艺改进显得十分重要。

目前，研究者着力于开发新一代的氧化石墨烯制备技术，即电化学氧化法、干(湿)球磨法、超声破碎法等，相比于传统的Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法，存在着成本高、氧化效率偏低的问题，有些甚至只能停留在实验室阶段。而在传统制备方法中，Hummers法更加环保、安全，适用于大规模的生产。因此，关于Hummers法的改进，一直以来就备受研究者们关注。

Hummers法制备氧化石墨烯是1859年由Wiliiam S.Hummers等人所发明，其制备流程如下：将100g石墨与50g硝酸钠混合物加入2.3L浓硫酸中，随后保持0℃冰浴，并缓慢加入300g高锰酸钾，控制温度在20℃以内，随后升温至35±3℃，搅拌反应80分钟，随后加入4.6L水，使温度达到98℃，搅拌反应15分钟后加入14L的3％过氧化氢溶液，此反应释放出大量气泡，使溶液从棕色变为亮黄色。

Hummers法制备氧化石墨烯的机理可以分为三步，即石墨插层化合物(GIC)的形成、石墨插层化合物(GIC)转化为原始氧化石墨烯(PGO)以及原始氧化石墨烯(PGO)的剥离：石墨插层化合物(GIC)的形成：在无水条件下，浓硫酸与石墨发生插层反应，碳的层间距被HSO₄^-和SO₄^2-打开，该过程不会形成任何有序结构；石墨插层化合物(GIC)转化为原始氧化石墨烯(PGO)：浓硫酸与高锰酸钾形成强氧化剂Mn₂O₇以及MnO₃⁺，该强氧化剂进入插层石墨化合物(GIC)中，形成原始氧化石墨烯(PGO)，反应化学方程式为：3MnO₄^-+SO₄^2-+7H⁺＝Mn₂O₇+MnO₃(HSO₄)+2H₃O⁺；原始氧化石墨烯(PGO)的剥离：水与过氧化氢共同发生淬灭反应，与此同时，水将PGO不断剥离，并且O^2-对碳层间的C⁺发生亲核进攻，生成含氧官能团，而过氧化氢则将多余的氧化剂进行还原，辅助氧化石墨烯生成亮黄色溶液，但由于PGO中的碳氧键具有可逆性，过氧化氢也会在一定程度上将已经氧化好的GO还原。

综上所述可知，现有技术的Hummers法制备氧化石墨烯时，必须加入过氧化氢才能制备得到亮黄色氧化石墨烯。而在制备过程中加入过氧化氢，既增加生产成本，又提高生产过程储存、运输、使用过氧化氢的危险系数，同时还使得生产制备过程操作更为繁琐。因此，目前亟需寻找一种不必使用过氧化氢同样能够制备出亮黄色氧化石墨烯的方法。