一種基于微波預(yù)處理制備高分散性氧化石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧化石墨烯的制備，特別是一種高分散性和明顯單層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]我國有著豐富的尚質(zhì)量石墨礦廣資源，但在石墨附加值廣品方面的加工技術(shù)卻車父為落后，加大石墨深加工的研發(fā)力度、提高其附加值已刻不容緩。石墨烯的二維層狀晶體結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積賦予其優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱力學(xué)特性，使其具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]石墨烯的制備方法主要有以下幾種:機(jī)械剝離法，化學(xué)氣相沉積法，氧化還原法，碳納米管切割法等。其中，氧化石墨還原法因工藝相對簡單，成本較為低廉，并且能夠快速有效地制備大量的石墨烯而被廣泛使用。而此法的重點(diǎn)在于氧化石墨烯的制備，因此高質(zhì)量氧化石墨烯的制備就成為了實現(xiàn)石墨烯規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)用的前提。
[0004]氧化石墨烯通常是由石墨經(jīng)過強(qiáng)酸氧化得到。目前主要通過三種方法制備氧化石墨稀:Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法因其制備過程的時效性和相對安全性而被廣泛應(yīng)用。但目前所采用的方法在產(chǎn)品質(zhì)量控制和反應(yīng)條件控制上存在著明顯的不足。
[0005]國家發(fā)明專利CN102225754A公布了一種氧化石墨烯的制備方法:通過在密閉的環(huán)境中采用石墨、濃酸和強(qiáng)氧化劑混合產(chǎn)生的高溫高壓條件使石墨被氧化并剝離，最終生成氧化石墨烯，用本方法制備的氧化石墨烯粒徑較大、含氧官能團(tuán)較多并且氧化剝離較為充分。
[0006]國家發(fā)明專利CN103833020A公開了一種制備氧化石墨的工藝方法:它通過減少酸的用量同時在水解反應(yīng)步驟中加入少量的冷水來制備高效率、高濃度的氧化石墨。
[0007]國家發(fā)明專利CN103342358A公布了一種快速制備大量層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的方法，本方法通過控制石墨之間插入的羥基、羧基和其他含氧官能團(tuán)的數(shù)量來制備大量層數(shù)可控的氧化石墨烯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明通過對天然石墨進(jìn)行微波預(yù)處理，然后用改進(jìn)的Hummers法制備質(zhì)量較優(yōu)的氧化石墨烯。該方法操作簡單，條件溫和，設(shè)備要求較低，并且最后得到的氧化石墨烯具有較高分散性和明顯單層結(jié)構(gòu)。
[0009]一種基于微波預(yù)處理制備高分散性氧化石墨烯的方法。通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):
(I)首先，將一定質(zhì)量的石墨置于微波爐中，微波處理一定時間。
[0010](2):將一定質(zhì)量的微波處理石墨和一定質(zhì)量的過硫酸鈉加入盛有20mL濃硫酸的三口燒瓶中；然后，水浴加熱到一定溫度，并在此溫度下攪拌一定的時間；對所得混合物進(jìn)行抽濾，并用去離子水多次洗滌至中性，將所得產(chǎn)物放在60°C烘箱里干燥24h，即得到預(yù)氧化石墨。
[0011](3):以預(yù)氧化石墨為原料，采用改進(jìn)的Hmnmers法制備氧化石墨稀。
[0012]上述方法中，步驟(I)所述的石墨加入量為5g，此石墨為天然鱗片石墨，尺寸為500 目。
[0013]上述方法中，步驟(I)所述的微波處理為低火加熱，微波爐型號為Haier/MF-2270MG，微波功率為120W，加熱時間0_30s。這是由于如果采用中火進(jìn)行加熱，短時間內(nèi)石墨就會發(fā)生燃燒反應(yīng)；而采用低火時，加熱40s也會產(chǎn)生火光。因此，考慮安全性，最終只選擇了低火加熱0-30s
上述方法中，步驟(2)所述的微波處理石墨的加入量為2g，過硫酸鈉的加入量為2g，過硫酸鈉為分析純，濃硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%。
[0014]上述方法中，步驟(2)所述的加熱溫度為80°C，攪拌時間為6h，攪拌速度420rpm。
[0015]上述方法中，步驟(3)所述的采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨稀的具體步驟為:
a.用移液管轉(zhuǎn)移40mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸至250mL的三口燒瓶，其次將2g步驟
(2)得到的預(yù)氧化石墨緩慢加入到濃硫酸中，然后再緩慢加入Ig硝酸鈉，室溫下均勻攪拌30min，然后再緩慢加入6g高錳酸鉀，繼續(xù)攪拌2h，用恒壓漏斗向反應(yīng)體系中緩慢滴加20mL去離子水，將反應(yīng)體系的溫度調(diào)至35°C，在35°C下攪拌2h，然后再用恒壓漏斗向反應(yīng)體系中緩慢滴加10mL去離子水，加完水后將反應(yīng)體系溫度升至95°C，在95°C繼續(xù)攪拌15min，然后向反應(yīng)體系中加入20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水繼續(xù)攪拌1min后停止反應(yīng)。
[0016]b.待混合液體自然冷卻后，將其倒入500mL去離子水中進(jìn)行稀釋，然后在9000rpm下離心并用去離子水和I M HCl交替反復(fù)洗滌，然后將沉積物超聲分散30min，最后將其轉(zhuǎn)移至表面皿中并將其放置在60°C烘箱里干燥24h，即得到氧化石墨烯。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:本發(fā)明先是用微波加熱的方法對原始石墨進(jìn)行預(yù)處理，處理后的石墨先經(jīng)過預(yù)氧化然后再通過改進(jìn)的Hummers法進(jìn)行進(jìn)一步氧化最終得到氧化石墨烯。由于微波屬于一種電磁波能量，它提供能量的方式是將這種電磁波的場能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，從而使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化等一系列物理變化的過程。利用微波爐的這種原理對天然石墨進(jìn)行加熱，可有效地增大石墨分子的層間距，從而使其產(chǎn)生巨大的膨脹。這種結(jié)果無疑可以促進(jìn)后續(xù)的氧化石墨的剝離從而比較容易地制備質(zhì)量較優(yōu)的具有單層結(jié)構(gòu)的氧化石墨稀。本方法工藝簡單，操作便捷，反應(yīng)條件溫和(改進(jìn)的Hmnmers法無需經(jīng)過低溫氧化)，對設(shè)備的要求較低，制備的氧化石墨烯分散性較好并具有明顯的單層結(jié)構(gòu)。通過本發(fā)明制得的氧化石墨烯可進(jìn)一步應(yīng)用于電池材料、復(fù)合材料、電子器件和儲能材料等多個領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明中氧化石墨烯的制備流程圖；
圖2為本發(fā)明中兩種不同處理方法制備得到的氧化石墨烯的X射線衍射圖譜；
圖3為本發(fā)明中兩種不同處理方法制備得到的氧化石墨烯的掃描電鏡照片；
圖4為本發(fā)明中兩種不同處理方法制備得到的氧化石墨烯的透射電鏡照片。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但應(yīng)當(dāng)指出，對本技術(shù)領(lǐng)域來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和修飾，因此，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實施例所表達(dá)的范圍。
[0020]實施例1
一種基于微波預(yù)處理制備高分散性氧化石墨烯的方法:直接稱取2g天然鱗片石墨，不經(jīng)過任何預(yù)處理直接進(jìn)行預(yù)氧化:2g天然鱗片石墨和2g過硫酸鈉一并加入盛有20mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸中，水浴加熱到80 °C并在此溫度下以420rpm的攪拌速度反應(yīng)6h。自然冷卻后對所得混合物進(jìn)行抽濾并用去離子水進(jìn)行多次洗滌至中性，將所得產(chǎn)物放在60°C烘箱里干燥24h，即得到預(yù)氧化石墨；最后以預(yù)氧化石墨為原料，采用改進(jìn)的Hmnmers法制備氧化石墨烯，具體步驟如