一種石墨烯的低溫環保制備方法技術

本發明專利技術屬于石墨烯材料制備技術領域，涉及一種石墨烯的低溫環保制備方法，先將天然鱗片石墨與高錳酸鉀按加入到三口燒瓶中，再加入濃硫酸和濃磷酸的混合酸攪拌反應后將三口燒瓶移至水浴中攪拌得到氧化石墨溶液；然后將氧化石墨溶液倒入含有雙氧水的冰塊狀蒸餾水中至冰塊完全溶解，依次經過過濾、酸洗、水洗和干燥得到氧化石墨烯；最后將氧化石墨烯溶于醋酸溶液中，并加入氫碘酸攪拌后過濾，將得到的濾餅依次經過水洗、醇洗和干燥得到石墨烯；其制備工藝簡單，操作方便，生產成本低，工藝簡單，產率高，適合大規模生產，制備的石墨烯導電率高，具有廣泛的應用前景。

【技術實現步驟摘要】
一種石墨烯的低溫環保制備方法
：本專利技術屬于石墨烯材料制備
，涉及一種石墨烯的低溫環保制備方法。
技術介紹
：石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。2004年英國曼徹斯特大學的科學家首次剝離出石墨烯，并證實它能穩定存在，從此石墨烯這種新型材料受到廣泛關注，石墨烯具有十分優異的性能，例如其比表面積高達2630m2.g-1，體征遷移率高達200000cm2.v-1.s-1，楊氏模量多達到1.0TPa，熱傳導常數為5000W.m-1.K-1，光學透射比高達97.7％，并且其導電性也十分優異，幾乎達到金屬單質的導電性能。石墨烯展現出來的這些特性使其在高性能納電子器件、光電器件、氣體傳感器、復合材料、場發射材料及能量存儲等領域獲得廣泛應用。目前，石墨烯的制備方法主要有機械剝離法、化學氣相沉積法、外延生長法和化學氧化還原法等，這些方法都有其優缺點，其中機械剝離法由于剝離方法的局限性，其不適合大規模工業化制備石墨烯；化學氣相沉積法和外延生長法方法由于具有工藝復雜、條件苛刻、產率低、成本高等缺點，限制了其在石墨烯的大規模工業化生產和應用；氧化還原法是目前低成本，大規模制備石墨烯較為普遍的方法，氧化還原法制備石墨烯分兩步：首先是采用強氧化劑將石墨氧化為氧化石墨烯；第二步是還原氧化石墨烯得到石墨烯，常用的還原方法有高溫還原法、還原劑還原法及微波還原法等。目前氧化石墨烯的制備方法主要是Hummer法，然而在石墨氧化過程中，由于采用硝酸鹽，反應過程中會產生NO或NO2等有毒氣體，降低了生產的安全性，同時容易對環境造成污染，而且在還原過程中，高溫還原通常需要溫度在1000度以上，消耗大量能源，常用的化學試劑比如水合肼等有劇毒，大量使用對環境污染嚴重，且還原得到的石墨烯缺陷多，還原不夠徹底，從而大大降低了石墨烯的導電率，影響了其應用型。因此迫切需要開發一種在溫和條件下，低成本，高效環保的石墨烯的大規模制備方法。
技術實現思路
：本專利技術的目的在于克服現有技術存在的缺點，解決目前石墨烯制備技術中存在問題，提供一種石墨烯的低溫環保制備方法，在低溫下還原氧化石墨烯得到石墨烯，成本低，節約能源，得到的石墨烯導電率高，產率高，具有廣泛的應用前景。為了實現上述目的，本專利技術制備石墨烯的具體工藝步驟為：(1)將天然鱗片石墨與高錳酸鉀按重量比為1:4-6的比例加入到三口燒瓶中，緩慢加入濃硫酸和濃磷酸的混合酸，攪拌反應30min；其中濃硫酸：濃磷酸的體積比為9:1，混合酸與天然鱗片石墨的用料比為120ml：1g；(2)將三口燒瓶移至50攝氏度的水浴中攪拌10h得到氧化石墨溶液；(3)配制蒸餾水與雙氧水體積比為20:1的溶液，并凍成冰塊，將步驟(2)得到的氧化石墨溶液倒入含有雙氧水的蒸餾水中至冰塊完全溶解，依次經過過濾、酸洗、水洗和干燥得到氧化石墨烯；其中蒸餾水的用量為1g石墨對應100ml-150ml蒸餾水，優選1g石墨對應100ml-120ml蒸餾水，雙氧水的重量百分比濃度為30％；(4)將得到的氧化石墨烯溶于重量百分比濃度為36％-38％的醋酸溶液中，再加入重量百分比濃度為55％的氫碘酸在40攝氏度下攪拌18h后過濾得到濾餅，然后依次經過水洗、醇洗和干燥得到石墨烯；其中氧化石墨烯與醋酸的用量比為1g：300ml-400ml；氧化石墨烯與氫碘酸的用量比例為1g：10ml-40ml，優選1g：10ml-20ml。本專利技術所述天然鱗片石墨的片徑大小為30-150μm，優選30-50μm。本專利技術步驟(1)涉及的反應放熱，反應溫度保持在30-35度。本專利技術步驟(3)中所述酸洗是用重量百分比濃度為10％的鹽酸進行清洗，鹽酸使用量1g石墨對應100ml鹽酸；水洗是用蒸餾水反復洗滌至溶液pH＝7；干燥是在40攝氏度下真空干燥8-12h。本專利技術步驟(4)中所述水洗是用蒸餾水反復洗滌至溶液的pH＝7-8；醇洗是用乙醇洗滌濾餅2-3次，每次用量為1g氧化石墨烯對應50ml乙醇；干燥是在60攝氏度下真空干燥12h。本專利技術與現有技術相比，具有以下優點：一是采用改進的氧化還原方法，氧化過程中使用濃磷酸作為保護劑，減小放熱，相比傳統的Hummer法制備的氧化石墨烯缺陷更少，更好的保持碳原子的平面結構，經過還原得到的石墨烯結構完整，導電率高；二是氧化過程中不使用硝酸鹽和亞硝酸鹽，避免NO，NO2等有毒氣體的產生；三是整個反應過程在低溫下進行，不超過50攝氏度，節約能源；四是使用氫碘酸作為還原劑，避免使用水合肼等傳統還原劑對環境造成的污染，節能環保；其制備工藝簡單，操作方便，生產成本低，工藝簡單，產率高，適合大規模生產，制備的石墨烯導電率高，具有廣泛的應用前景。附圖說明：圖1為本專利技術實施例制備的氧化石墨烯的SEM圖，其中a)低倍SEM圖；b)為高倍SEM圖。圖2為本專利技術實施例1制備的石墨烯SEM圖，其中a)為低倍SEM圖；b)為高倍SEM圖。圖3為本專利技術實施例1制備的氧化石墨烯和石墨烯的XRD圖。圖4為本專利技術實施例1制備的石墨烯的AFM圖。具體實施方式：下面通過實施例并結合附圖對本專利技術作進一步說明。實施例1：本實施例制備石墨烯的具體過程為：(1)取1g石墨和6g高錳酸鉀加入到三口燒瓶中，緩慢加入濃硫酸和濃磷酸體積比為9:1的混合酸120ml，攪拌30min，由于反應放熱，反應的溫度為30-35度；(2)將三口燒瓶移至50攝氏度的水浴中攪拌10h，得到紫色的氧化石墨溶液；(3)將5ml重量百分比濃度為30％的雙氧水加入到100ml蒸餾水中凍成冰塊，再將紫色的氧化石墨溶液倒入冰塊中，至冰塊完全溶解后(此時溶液呈亮黃色)過濾，用重量百分比濃度為10％的鹽酸100ml洗滌，接著用蒸餾水洗滌至溶液呈中性(pH為7)，在40攝氏度下真空干燥12h，得到氧化石墨烯1.12g；(4)取步驟(3)制備的氧化石墨烯1g分散到300ml醋酸中，加入氫碘酸20ml在40攝氏度油浴下攪拌18h后所得的溶液用孔徑為0.22μm的聚酯纖維濾膜過濾，并用50ml的蒸餾水洗滌3次，再用50ml乙醇洗滌3次，60攝氏度下真空干燥12h得到石墨烯，產量為0.85g，經過四探針法測定所得石墨烯的電導率為5.8*103S/m。本實施例制備的氧化石墨烯和石墨烯的SEM圖分別如圖1和如2所示，從圖1可以看出，所得氧化石墨烯成片狀，剝離程度較高；從圖2可以看出，所得的石墨烯層數較少，并且具備典型的石墨烯褶皺形貌。本實施例制備得到的氧化石墨烯和石墨烯的XRD圖如圖3所示，由圖中可以看出，氧化石墨烯(001)的特征峰出現在10.2度，此時氧化石墨烯的層間距為較普通Hummer法制備的氧化石墨烯的(層間距為)有明顯增大,說明得到的氧化石墨烯的氧化程度較高；經過氫碘酸還原后，尖銳的氧化石墨烯特征峰消失，而在26.6度左右出現微弱的石墨烯(002)特征峰。說明氧化石墨烯較為徹底的還原成為石墨烯。本實施例制備的石墨烯的AFM圖如圖4所示，由圖中可以看出，制備的石墨烯片層面積較大，厚度在0.9-1.0nm,說明所得的石墨烯為少層石墨烯。實施例2：本實施例僅改變高錳酸鉀的使用量，加入高錳酸鉀的量為4g，石墨與高錳酸鉀的重量比為1:4，其它步驟與實施例1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯的低溫環保制備方法，其特征在于制備石墨烯的具體工藝步驟為：(1)將天然鱗片石墨與高錳酸鉀按重量比為1:4?6的比例加入到三口燒瓶中，緩慢加入濃硫酸和濃磷酸的混合酸，攪拌反應30min；其中濃硫酸：濃磷酸的體積比為9:1，混合酸與天然鱗片石墨的用料比為120ml：1g；(2)將三口燒瓶移至50攝氏度的水浴中攪拌10h得到氧化石墨溶液；(3)配制蒸餾水與雙氧水體積比為20:1的溶液，并凍成冰塊，將步驟(2)得到的氧化石墨溶液倒入含有雙氧水的蒸餾水中至冰塊完全溶解，依次經過過濾、酸洗、水洗和干燥得到氧化石墨烯；其中蒸餾水的用量為1g石墨對應100ml?150ml蒸餾水，雙氧水的重量百分比濃度為30％；(4)將得到的氧化石墨烯溶于重量百分比濃度為36％?38％的醋酸溶液中，再加入重量百分比濃度為55％的氫碘酸在40攝氏度下攪拌18h后過濾得到濾餅，然后依次經過水洗、醇洗和干燥得到石墨烯；其中氧化石墨烯與醋酸的用量比為1g：300ml?400ml；氧化石墨烯與氫碘酸的用量比例為1g：10ml?40ml。

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯的低溫環保制備方法，其特征在于制備石墨烯的具體工藝步驟為：(1)將天然鱗片石墨與高錳酸鉀按重量比為1:4-6的比例加入到三口燒瓶中，緩慢加入濃硫酸和濃磷酸的混合酸，反應溫度為30-35攝氏度，攪拌反應30min；其中濃硫酸：濃磷酸的體積比為9:1，混合酸與天然鱗片石墨的用料比為120ml：1g；(2)將三口燒瓶移至50攝氏度的水浴中攪拌10h得到氧化石墨溶液；(3)配制蒸餾水與雙氧水體積比為20:1的溶液，并凍成冰塊，將步驟(2)得到的氧化石墨溶液倒入含有雙氧水的蒸餾水中至冰塊完全溶解，依次經過過濾、酸洗、水洗和干燥得到氧化石墨烯；其中蒸餾水的用量為1g石墨對應100ml-150ml蒸餾水，雙氧水的重量百分比濃度為30％；(4)將得到的氧化石墨烯溶于重量百分比濃度為36％-38％的醋酸溶液中，再加入重量百分比濃度為55％的氫碘酸在4...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宗成中，劉睿，宗迎夏，王春芙，
申請(專利權)人：青島科技大學，
類型：發明
國別省市：山東;37