[发明专利]一种采用电化学辅助制备单层大尺寸氧化石墨烯的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种采用电化学辅助制备单层大尺寸氧化石墨烯的方法

背景技术：

石墨烯作为单原子层厚的二位蜂窝状结构，自2004年Geim等人通过微机械剥离法获得以来，因其优异的电性能、机械性能、光学性能和热力学性能，被广泛应用于电子元器件、催化剂、传感器、能量转换和储备等领域。

目前，适合大规模生产的石墨烯制备方法是化学氧化还原法。这种方法重点在于将石墨进行氧化剥离，即氧化石墨烯的制备。氧化石墨烯的制备是通过强酸，强氧化性物质破坏石墨层间的范德华力，同时破坏石墨烯层中的SP²碳，生成羟基、羧基、环氧官能团等SP³碳，从而生成亲水性好的氧化石墨烯。

氧化石墨烯是石墨烯的前驱体，探索氧化石墨烯的廉价量产技术，对于石墨烯的技术研究和广泛应用具有巨大的学术价值和商业应用前景。氧化石墨烯的制备主要有三种方法：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法是目前最为常用的一种方法。它采用浓硫酸，高氯酸，高锰酸钾和石墨粉混合，经过氧化反应后，可得到被氧化的氧化石墨，再经过超声剥离制备出氧化石墨烯。传统Hummers法及其法在石墨烯的制备中，要用大量的强酸，强氧化剂，同时制备去掉过程中还会释放出NO₂，N₂O₄，ClO₂等有毒气体，环境危害大。同时过度使用强氧化剂导致所制备的氧化石墨烯氧化程度过高，氧化石墨烯的结构缺陷较多，综合性能较差。因此，在提高氧化石墨烯综合性能的前提下如何简化制备方法或者降低强氧化剂的用量，提高化学法制备氧化石墨烯的商业应用前景成为石墨烯研究的重点。专利201110121338.9将石墨，浓酸，高锰酸钾和硝酸盐混合均匀，在80℃～130℃的密闭环境中反应，得到氧化石墨烯。此方法虽简单，但所用氧化剂种类多，量大，反应过程中会释放NO₂，N₂O₄有毒性气体。专利201210392839.5先将石墨处理成膨胀石墨，用膨胀石墨和浓硫酸或混酸在冰水浴中混合，加入高锰酸钾，搅拌反应10min～1h后，加入去离子水水解，然后加入双氧水，最后加入5％稀盐酸和去离子水清洗，超声离心后，制备出氧化石墨烯。此方法使用膨胀石墨代替了石墨，所以后期的氧化步骤简单和氧化剂的种类和用量相对较少，但是膨胀石墨的制备需要使用浓硫酸和浓硝酸，综合起来反而加大了浓酸和强氧化剂的用量。专利201310250399.4采用将石墨原材料用机械作用和氧化反应相结合的方式制备氧化石墨烯，通过将这两种方法结合，可在最短的时间内一步制得氧化石墨烯，产品无需超声即可在16000rmp条件下稳定悬浮。此种方法制备氧化石墨烯的产率低，仅有20％。

基于上文所述，如果能发明一种氧化石墨烯的制备方法，能够制备出一种单层，大尺寸的氧化石墨烯，并且制备过程简单，产量高，反应试剂用量少，反应中无有毒气体排出，对环境副作用小，易于大量生产，那么这种制备方法将对本领域非常有利。

发明内容：

基于此，有必要提供一种可以制备单层，边长尺寸在微米级的氧化石墨烯的制备方法。

一种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于采用电化学方法辅助制备，具体包括如下步骤：

电化学反应条件下，阳极采用鳞片石墨片，所述电化学反应为恒压直流反应，电压为3V～8V，电解质为硫酸水溶液，浓度为4.8g/100mL H₂O～19.2g/100mL H₂O,反应的时间为5min～60min；取阳极发生膨胀的鳞片石墨片，用去离子水清洗，常温干燥，粉碎机粉碎，使石墨粉粒径在微米级；冰浴下，将石墨粉与浓硫酸，高锰酸钾混合，石墨粉、质量浓度为98％的浓硫酸、高锰酸钾的质量比是1：(25～70)：(2～8)；

搅拌，依次经过低温、中温、高温反应，低温为0℃～10℃，中温为30℃～50℃，高温为70℃～100℃，反应时间依次为低温10min～60min，中温30min～60min，高温15min～60min，反应结束后向混合物中加入质量浓度为30％的双氧水，双氧水加入量为每1g石墨粉用0.5～5mL；用盐酸和去离子水冲洗至pH＝7，超声，离心,制备单层大尺寸的氧化石墨烯。

进一步，所述鳞片石墨在常压下的干燥温度是50℃～100℃,干燥时间是4h～24h。

进一步，其特征在于，加入的盐酸为盐酸：水体积比为1:10的稀盐酸水溶液。