本發(fā)明屬于納米材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是一種只有一個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，在移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池等領(lǐng)域有著非常巨大的應(yīng)用前景。石墨烯材料的開發(fā)和推廣極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，，具有較高的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)。氧化石墨烯是石墨烯氧化后的產(chǎn)物，氧化石墨烯仍保持石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，但在每一層的石墨烯單片上引入了許多氧基功能團(tuán)，這些功能團(tuán)給石墨烯材料的應(yīng)用帶來了更多的可能，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。
但是，這種方法只適用于實(shí)驗(yàn)室少量制備用于研究，且大量制備容易產(chǎn)生大量的廢酸、廢水等，將引起環(huán)境的污染。因此，急需發(fā)展一種簡單，對(duì)環(huán)境污染小的石墨烯制備方法。本發(fā)明所采用的膨脹石墨的方法可以有效避免使用濃酸，很大程度上減小了濃酸廢液的排放，工藝簡單，節(jié)能環(huán)保。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供所述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，其技術(shù)方案包括以下步驟：
依次包括濃硫酸和濃硝酸與石墨生成石墨層間化合物、微波得膨脹石墨、再次與強(qiáng)酸反應(yīng)得預(yù)氧化石墨、加入膨脹劑得到氧化石墨烯分散液。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，所述濃硫酸和濃硝酸與石墨生成石墨層間化合物中石墨為3—5g 300μm的可膨脹鱗片石墨，濃硫酸為150—250ml的濃硫酸(98％)，濃硝酸為30-50ml發(fā)煙硝酸。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，所述的微波得膨脹石墨需用1000W微波膨脹一分鐘。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，所述的預(yù)氧化石墨過程需將膨脹石墨加入到200-300ml濃硫酸中，再緩慢加入3.6-4.2g K2S2O8和5.4-6.2g P2O5，攪拌溫度為60-80攝氏度，時(shí)間為4小時(shí)，稀釋的水為去離子水。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，其所述的大片層氧化石墨烯指制得的氧化石墨烯片層數(shù)為10到50之間。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，制得的石墨層間化合物需要在60攝氏度干燥24h以上，使含水率在0.5％以下。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，其所述的用去離子水稀釋后過濾、水洗的目的是把為膨脹的石墨去除，需多進(jìn)行幾次。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，所用的膨脹劑為具有較大膨脹系數(shù)的鹽類，在低溫或高溫下體積可迅速膨脹。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，可膨脹石墨與膨脹劑按照1:1～1:100的比例混合，根據(jù)不同的膨脹劑設(shè)定不同的攪拌時(shí)間。
優(yōu)選地，上述的利用膨脹劑膨脹石墨制備氧化石墨烯的方法，選擇不同的膨脹劑，根據(jù)其膨脹系數(shù)來設(shè)定不同的攪拌溫度，低溫時(shí)，可使用冰浴或液氮的方式對(duì)可膨脹石墨和膨脹劑的混合液降溫。
(1)將可膨脹鱗片石墨加入到的濃硫酸(98％)溶液中，攪拌分散均勻后，緩慢加入發(fā)煙硝酸，然后冰浴攪拌。然后倒入水中稀釋，冷卻至常溫后過濾水洗，干燥24h。后微波膨脹，得到膨脹石墨。
(2)取上述膨脹石墨，加入到濃硫酸中，攪拌分散均勻后緩慢加入K2S2O8和P2O5，攪拌，然后倒入水中稀釋、冷卻、水洗、室溫干燥48h，得到預(yù)氧化石墨。
(3)取上述預(yù)氧化石墨加入到膨脹劑中，根據(jù)膨脹劑膨脹系數(shù)的不同選擇合適的反應(yīng)溫度，而后攪拌，后倒入2L水稀釋，靜置，將上層清液倒掉、離心、水洗、1mHCl洗3次，直至ph為6左右為止，即得到氧化石墨烯分散液。
2、傳統(tǒng)氧化石墨烯采用Hummers法制備，以K2MnO4作為氧化劑，實(shí)驗(yàn)證明，該方法產(chǎn)率較低。本發(fā)明突破性的采用膨脹劑來對(duì)石墨間層進(jìn)行膨脹的方法，這樣不僅簡化了制備步驟，還減小了廢液污染。
3、其中所述的濃硫酸和濃硝酸與石墨生成石墨層間化合物指，在強(qiáng)氧化劑作用下，石墨晶體中原來以sp雜化結(jié)合成的平面網(wǎng)狀大分子轉(zhuǎn)變成帶有正電荷的平面大分子，使具有極性的硫酸分子和硫酸氫根負(fù)離子插入石墨層形成石墨層間化合物。
4、其中所述的微波得膨脹石墨指，石墨層間化合物在微波條件下，平面大分子間的極性的硫酸分子和硫酸氫根負(fù)離子吸收能量生成SO2氣體逸出，從而使石墨層之間距離增大形成膨脹石墨。
5、其中所述的再次與強(qiáng)酸反應(yīng)得預(yù)氧化石墨指，經(jīng)過微波膨脹膨脹后的石墨，片層之間距離增大，能夠與強(qiáng)酸充分反應(yīng)，使更多的具有極性的硫酸分子和硫酸氫根負(fù)離子插入石墨層，便于下一步膨脹劑插入石墨間層。
6、膨脹劑加入到石墨間層后，對(duì)其進(jìn)行低溫或高溫處理，使得膨脹劑體積膨脹，得到性能更為優(yōu)異的氧化石墨烯。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
(1)本工藝中采用的原料為3g 300微米天然鱗片石墨，先將石墨加到150ml濃硫酸中，攪拌分散均勻后在緩慢加入30ml硝酸，然后冰浴攪拌24小時(shí)。
(2)將得到的混合物倒入1000ml的去離子水中稀釋，冷卻至常溫后過濾水洗，60度干燥24小時(shí)。后1000W微波膨脹，直至所有石墨都變?yōu)樾鯛睢?/p>
(3)在加入3.6g K2SO8和5.4g P2O5時(shí)需緩慢進(jìn)行，后60度攪拌5h。倒入2L水中稀釋、冷卻至常溫后抽濾水洗。室溫干燥48h。
(4)將得到的預(yù)氧化石墨加入到300ml Sc2W溶液中，室溫下充分?jǐn)嚢?4h，然后將攪拌充分的預(yù)氧化石墨與Sc2W混合物放入冰水中是指迅速降溫，得到預(yù)氧化石墨烯分散液。
實(shí)施例2
前三個(gè)步驟與實(shí)例1一致，最后將預(yù)氧化石墨加入碳酸氫銨溶液中，室溫下充分?jǐn)嚢?4h，然后將攪拌充分的預(yù)氧化石墨與碳酸氫銨的混合物進(jìn)行加熱，得到預(yù)氧化石墨烯分散液。
上述具體的實(shí)施方式，只是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施的描述，并不能構(gòu)成本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種修改和變形，均應(yīng)落入發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。