[发明专利]一种基于萃取提纯技术高效制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法。具体为基于萃取提纯技术高效制备石墨烯的方法，适用于石墨烯的宏量制备。

背景技术

自2004年曼彻斯特大学的A.K. Geim领导的研究组提出石墨烯（Graphene）的概念以来，石墨烯作为碳家族的另外一颗璀璨明星，得到了物理、化学及材料学家的高度重视，因此，石墨烯成为了继碳纳米管后又一大放异彩的“万能材料” (Science 2004, 306: 666.)。与碳纳米管相比，石墨烯存在完美的杂化结构，具有超高电导率、极快的电子传输速度、高硬度、高比表面积以及室温量子霍尔效应等一直备受瞩目(Nat. Mater. 2007, 6, 183；Science 2009, 324, 1530.)。到目前为止，科研人员已经对石墨烯的制备进行了广泛的研究，有关石墨烯的制备方法，国内外有较多的文献综述，主要包括物理方法和化学方法两大类。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯，此法原料易得，操作相对简单，但是由于设备要求高、产率低下等原因，制约了石墨烯的规模化生产，不具备实际应用的价值。最早的化学法制备石墨烯是通过有机合成实现的，具体操作是以苯环或其它芳香体系为核，经过多步偶联反应取代苯环或大芳香环，循环往复，使芳香体系变大，最终得到一定尺寸的平面结构的石墨烯。直到2006年Stankovich等通过将石墨进行氧化制备了氧化石墨烯，并采用肼还原脱除氧化石墨烯上的含氧基团，最终得到了石墨烯，此方法由于原料廉价、设备要求低、操作简单从而成为了最具潜力和发展前途的制备石墨烯的方法也是目前实验室制备石墨烯的主要方法。然而，此方法也存在一些缺陷。氧化石墨烯带有羟基、羧基和环氧基等亲水官能团，表现出强烈的亲水性，因此随着提纯的深入，氧化石墨烯与水形成水凝（溶）胶，无论采用抽滤或者离心的技术，都难以分离氧化石墨烯和水溶液，最终造成产品杂质过多。为了得到高纯度的氧化石墨烯，现在实验室多采用透析技术对氧化石墨烯进行提纯。该方法是让杂质小分子通过透析膜扩散到水中，从而将氧化石墨烯与杂质分离纯化。透析方法受分子动力学因素的制约，一般需要2~4周的时间才能得到高纯度的氧化石墨烯，并且透析膜价格昂贵，不利于工业化生产。因此，为了实现石墨烯的宏量制备，必须加快氧化石墨烯溶液的提纯速度。虽然近年来在提纯方面也有一些报道，但是目前所报道的提纯方法中仍旧存在一些问题，例如，电泳沉积提纯氧化石墨烯的方法，由于水相分解电压低，从而使提纯电压不能过高，以免造成水相的剧烈分解导致氧化石墨烯的团聚和大量的氢气生成发生危险，过低的电压则无法实现快速高效的分离提纯。因此，鉴于目前石墨烯的宏量制备仍然是影响石墨烯规模化应用的一个关键问题，如果能够实现低成本、高效快捷的提纯和还原氧化石墨烯，才能有望在宏量制备石墨烯方面取得突破性的进展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于萃取提纯技术高效制备石墨烯的方法。

本发明的技术方案是：

本发明通过氧化法制备氧化石墨，主要通过萃取对氧化石墨烯进行提纯，从而缩短了氧化石墨烯溶液的提纯时间，6~10 h内即可完成对氧化石墨烯的提纯；最后利用微波还原技术，将氧化石墨烯还原为石墨烯。结果可以通过对石墨烯的微观结构和成分测试得以证实。

一种基于萃取提纯技术高效制备石墨烯的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

A. 采用不同尺寸天然鳞片石墨为原料，在低温的条件下依次加入浓硫酸、高锰酸钾和硝酸钠作为氧化剂，整个过程在搅拌的条件下进行，氧化1~6h之后，加入蒸馏水稀释浓硫酸，控制温度在50~100 ℃，整个过程在搅拌的条件下进行，制备出氧化石墨；

B. 用双氧水和稀盐酸去除氧化石墨中过量的高锰酸钾及其副产物，之后超声30min~4h制备氧化石墨烯分散液；

C. 采用萃取法提纯氧化石墨烯分散液，加入乙酸乙酯、甲苯或苯作为萃取剂，强烈搅拌，静置分层后，去除水相，再加入蒸馏水，反复多次的进行萃取分离，重复2~3次，待不能再分层，再利用抽滤或者离心技术，去除萃取溶剂，从而得到氧化石墨烯；

D. 利用微波还原技术，将萃取提纯的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，加入水合肼作为还原剂，还原氧化石墨烯分散液，再采用抽滤或者离心技术多次清洗制备出石墨烯。

本发明中所采用的原料为天然鳞片石墨，石墨原料的尺寸为45~500 μm。