一種微波快速合成氧化石墨的方法及應用技術

本發明專利技術公開了一種微波快速合成氧化石墨的方法及應用，所述方法步驟如下：一、石墨的預處理：先將石墨、硫酸、高錳酸鉀混合在燒瓶中，在?5~5℃條件下不斷攪拌反應60~90?min，然后移至聚四氟乙烯反應罐中待氧化；二、預處理石墨的微波快速氧化：將聚四氟乙烯反應罐放置于微波爐中進行微波氧化，反應結束后取出反應罐，清洗后將產物置于烘箱內烘干至恒重，得到氧化石墨。上述方法制備的氧化石墨可用于制備石墨烯以及作為載體與無機或有機化合物進行復合應用于光催化或Fenton反應體系中，有效降解染料廢水。本發明專利技術可以快速制備性能良好、環境友好型的氧化石墨，原料來源廣泛、廉價易得，而且制備方法快速簡單、易于實現工業化。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于合成材料
，涉及一種微波快速合成氧化石墨的方法及應用。
技術介紹
近年來，石墨烯作為\新材料之王\成為材料領域中新的寵兒，它是目前自然界最薄、強度最高、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。由于石墨烯是由氧化石墨還原得到，氧化石墨的制備也顯得尤為重要。目前將石墨氧化的方法還很有限，主要采用Hummer氧化的方法，該方法雖能將石墨氧化為氧化石墨，但仍存在制備工藝復雜、溫度控制要求嚴格以及制備時間較長等問題。采用微波法合成氧化石墨，操作方法簡單、制備時間短并具有一定的適用性，比傳統的Hummer法更有優勢。目前在合成材料中，傳統的合成方法包括水熱法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等，但均由于合成時間長、合成條件復雜和合成效率低等因素受到限制，很難在實際生產中得到應用。而微波作為一種在加熱過程中起著獨一無二作用的新技術被越來越多的人關注，其熱效應與非熱效應共同作用可將加熱時間大大縮短，并且合成材料的性能以及材料的應用性均優于傳統的合成方法。因此，研發快速制備材料的新方法在實際生產中顯得尤為重要。石墨廣泛存在于自然界中，是一類數量豐富、來源廣泛、廉價的原材料，因其導電、導熱、耐高溫、化學穩定性以及抗熱震性等特殊性能被廣泛應用于電氣工業、原子能工業以及國防工業。而將石墨氧化為氧化石墨，其新的性能將為我們現代工業中提供不可小覷的作用。之前針對縮短制備氧化石墨方法的研究還未見報道，僅有針對功能化氧化石墨的制備（如：一種功能化氧化石墨的制備方法：CN105314630A），或者調整氧化石墨的結構（如：一種微晶氧化石墨的制備方法：CN104891484A），即使提高氧化石墨的氧化度，但其制備方法耗時依舊相對較長（如氧化石墨的制備方法及其用途：CN104817070A），這些制備方法均耗時過長在實際應用中難以實施。
技術實現思路
為了解決目前制備氧化石墨技術單一、制備時間較長以及難以施用等現實問題，本專利技術提供了一種微波快速合成氧化石墨的方法及應用，通過微波的調控，用化學氧化手段快速將石墨氧化為氧化石墨，達到快速制備石墨烯的目的。該方法可以快速制備性能良好、環境友好型的氧化石墨，原料來源廣泛、廉價易得，而且制備方法快速簡單、易于實現工業化。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：一種微波快速合成氧化石墨的方法，通過微波輻照對預處理后的石墨進行直接反應，具體實施步驟如下：一、石墨的預處理先將石墨、硫酸、高錳酸鉀混合在燒瓶中，在-5~5℃條件下不斷攪拌反應60~ 90 min，然后移至聚四氟乙烯反應罐中待氧化。本步驟中，所述硫酸溶液的質量濃度為96~98%，石墨為粉末狀，添加0.5~1.0 g石墨，需要添加高錳酸鉀2~4 g，濃硫酸25~35 mL，高錳酸鉀分次加入。二、預處理石墨的微波快速氧化將聚四氟乙烯反應罐放置于微波爐中進行微波氧化，反應結束后取出反應罐，清洗后將產物置于烘箱內烘干至恒重，得到氧化石墨。本步驟中，所述微波氧化的方法有兩種，一種是在微波溫度為95~105℃的條件下反應25~30min，一種是在30~35℃的條件下反應10~15 min，之后升高微波反應溫度至90~98℃，反應20~25 min。本步驟中，所述清洗方式為真空抽濾，清洗溶液分別為5%鹽酸溶液與去離子水，先用1.0~1.5 L、5%鹽酸溶液清洗，后用3.0~5.0 L去離子水清洗。本步驟中，所述烘干溫度為70~100℃。上述方法制備的氧化石墨可用于制備石墨烯以及作為載體與無機或有機化合物進行復合應用于光催化或Fenton反應體系中，有效降解染料廢水，具體步驟如下：在不改變初始溶液pH的條件下，室溫下1g/L的氧化石墨，在微波強化Fenton-like體系中降解羅丹明染料廢水，反應5min溶液即可變為無色。本專利技術相比于現有技術，具有如下優點:1、本專利技術在制備過程中采用微波輻照技術對預處理的石墨進行快速氧化，制備氧化石墨，充分利用了微波的非熱效應和熱點效應的優點，反應在30min內即完成氧化反應，制備時間大大縮短，并且操作簡單、方便易行。2、本專利技術選用的石墨粉末來源廣泛，廉價易得，易于工業化。3、本專利技術合成的氧化石墨具有良好的催化性能，可以在微波強化Fenton-like體系中，有效降解染料廢水。4、本專利技術合成的氧化石墨具有良好的膨脹性，可以與其他無機化合物進行復合，應用于染料廢水和難降解有機物的降解中。5、本專利技術合成的氧化石墨可以作為石墨烯的前驅體，通過還原手段將氧化石墨還原為石墨烯。6、本專利技術合成的氧化石墨因制備方法簡單、制備時間短，具有一定的實際應用價值，對處理廢水有顯著的效果。附圖說明圖1為實施例1中石墨的SEM圖；圖2為實施例1中氧化石墨的SEM圖；圖3為實施例1中氧化石墨去除RhB和TOC的效果圖；圖4為實施例2中氧化石墨的SEM；圖5為實施例2中BFO-GO的SEM；圖6為實施例2中氧化石墨(a)和BFO-GO(b)的XRD；圖7為實施例2中BFO-GO去除BPA和TOC的效果圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本專利技術技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本專利技術技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本專利技術的保護范圍中。實施例1：本實施例以石墨為原材料，選擇羅丹明作為目標污染物，具體技術方案如下：一、先將1 g石墨、30 mL硫酸、3 g高錳酸鉀混合在燒瓶中，在-5℃條件下不斷攪拌反應1 h，然后移至聚四氟乙烯反應罐中待氧化；二、經過步驟一預處理，將聚四氟乙烯反應罐放置于微波爐中，反應在微波爐內進行，調節溫度在100℃，反應時間控制在30 min，取出反應罐，清洗后將產物置于烘箱內烘干至恒重，得到氧化石墨。石墨和氧化石墨的SEM圖如圖1和2所示。三、降解步驟：取上述方法制備的氧化石墨稱取0.1 g置于500 mL的三口燒瓶中，加入100 mL的羅丹明溶液（RhB，30 mg/L），不改變溶液的pH值，將三口燒瓶轉入微波反應器中，調整微波功率為300 W，加入1 mL過氧化氫，反應6 min，采用紫外分光光度計檢測550 nm處吸光度，通過公式計算，求得RhB的降解率。采用TOC分析儀對羅丹明溶液中的總碳進行檢測。氧化石墨去除RhB和TOC的效果圖如圖3所示。 (1)式中：Co為溶液初始BPA濃度，mg/L；C為取樣時刻（t, min）溶液中RhB濃度，mg/L。實施例2：本實施例以石墨為原材料，通過微波快速氧化石墨，將其與金屬化合物進行復合，制備的新催化劑在微波強化Fenton-like體系下處理染料廢水，具體技術方案如下：一、先將1 g石墨、30 mL硫酸、3 g高錳酸鉀混合在燒瓶中，在-5℃條件下不斷攪拌反應1 h，然后移至三口燒瓶待氧化；二、經過步驟一預處理，將三口燒瓶放置于微波爐中，反應在微波爐內進行，調節溫度在35℃，反應時間控制在10 min，之后升高微波反應溫度在95℃，反應時間控制在25 min取出反應罐，清洗后將產物置于烘箱內烘干至恒重，得到氧化石墨。氧化石墨的SEM圖如圖4所示，XRD如圖6所示。三、合成鐵酸鉍和氧化石墨復合的(BFO-GO)復合化合物，稱取合成所需原料(Fe(NO3)3·9H2O，Bi(NO3)3·5H2O，摩爾比為1：1，溶解后加入本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微波快速合成氧化石墨的方法，其特征在于所述方法步驟如下：一、石墨的預處理先將石墨、硫酸、高錳酸鉀混合在燒瓶中，在?5~5℃條件下不斷攪拌反應60~?90?min，然后移至聚四氟乙烯反應罐中待氧化；二、預處理石墨的微波快速氧化將聚四氟乙烯反應罐放置于微波爐中進行微波氧化，反應結束后取出反應罐，清洗后將產物置于烘箱內烘干至恒重，得到氧化石墨。

【技術特征摘要】
1.一種微波快速合成氧化石墨的方法，其特征在于所述方法步驟如下：一、石墨的預處理先將石墨、硫酸、高錳酸鉀混合在燒瓶中，在-5~5℃條件下不斷攪拌反應60~ 90 min，然后移至聚四氟乙烯反應罐中待氧化；二、預處理石墨的微波快速氧化將聚四氟乙烯反應罐放置于微波爐中進行微波氧化，反應結束后取出反應罐，清洗后將產物置于烘箱內烘干至恒重，得到氧化石墨。2.根據權利要求1所述的微波快速合成氧化石墨的方法，其特征在于所述步驟一中，硫酸溶液的質量濃度為96~98%。3.根據權利要求1所述的微波快速合成氧化石墨的方法，其特征在于所述步驟一中，石墨為粉末狀。4.根據權利要求1所述的微波快速合成氧化石墨的方法，其特征在于所述步驟一中，添加0.5~1.0 g石墨，需要添加高錳酸鉀2~4 g，硫酸25~35 mL。5.根據權利要求1所述的微波快速合成氧化石墨的方法，其特征在于所述步驟二中，微波...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張廣山，王鵬，李碩，鄭禾山，朱煒玉，胡莉敏，趙仁波，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23