[发明专利]一种用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺

说明书

技术领域

本发明属于化工工艺领域，特别涉及一种用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺。

背景技术

石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，在移动设备、航空航天、新能源电池等领域有着非常巨大的应用前景。石墨烯材料的开发和推广极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯是石墨烯氧化后的产物，氧化石墨烯仍保持石墨烯的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团，这些功能团给石墨烯材料的应用带来了更多的可能，具有更高的应用价值。

发明内容

传统氧化石墨烯采用Hummers法制备，以K₂MnO₄作为氧化剂，实验证明，该方法产率较低。本发明突破性的采用一种新的强氧化剂一一KClO₄作为氧化步骤的关键试剂。这样不仅增加了氧化剂的选择多样性，还增加氧化石墨烯的产率。

本发明提供一种用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺，所述方法依次包括浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物、微波得膨胀石墨、再次与强酸反应得预氧化石墨、高氯酸钾氧化剥离。

优选地，上述的用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺，所述浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物中石墨为3—5g 300μm的可膨胀鳞片石墨，浓硫酸为150—250ml的浓硫酸(98％)，浓硝酸为30-50ml发烟硝酸。

优选地，上述的用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺，所述的微波得膨胀石墨需用1000W微波膨胀一分钟。

优选地，上述的用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺，所述的预氧化石墨过程需将膨胀石墨加入到200-300ml浓硫酸中，再缓慢加入3.6-4.2g K2S2O8和5.4-6.2g P2O5，搅拌温度为60-80摄氏度，时间为4小时，稀释的水为去离子水。

优选地，上述的用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺，所述的剥离过程需再加入150-200ml的浓硫酸，加入高氯酸钾的质量为10-15g，需在1h内缓慢加入。加入的双氧水体积为15-20ml。

优选地，上述的用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺，其所述的大片层氧化石墨烯指制得的氧化石墨烯片层数为10到50之间。

优选地，上述的用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺，制得的石墨层间化合物需要在60摄氏度干燥24h以上，使含水率在0.5％以下。

本发明的技术方案包括浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物、微波得膨胀石墨、再次与强酸反应得预氧化石墨、高氯酸钾氧化剥离。

其中所述的浓硫酸和浓硝酸与石墨生成石墨层间化合物指，在强氧化剂作用下，石墨晶体中原来以sp杂化结合成的平面网状大分子转变成带有正电荷的平面大分子，使具有极性的硫酸分子和硫酸氢根负离子插入石墨层形成石墨层间化合物。

其中所述的微波得膨胀石墨指，石墨层间化合物在微波条件下，平面大分子间的极性的硫酸分子和硫酸氢根负离子吸收能量生成SO₂气体逸出，从而使石墨层之间距离增大形成膨胀石墨。

其中所述的再次与强酸反应得预氧化石墨指，经过微波膨胀膨胀后的石墨，片层之间距离增大，能够与强酸充分反应，使更多的具有极性的硫酸分子和硫酸氢根负离子插入石墨层，因此下一步KClO₄的氧化将更加彻底。

其中所述的高氯酸钾氧化剥离指，强氧化剂KClO₄将石墨层间的极性的硫酸分子和硫酸氢根负离子氧化成含氧官能团形成氧化石墨，再经过超声剥离成氧化石墨烯。

附图说明

图1为采用高氯酸钾制备大片层氧化石墨烯的工艺流程。

具体实施方式

本工艺中采用的原料为3g 300微米天然鳞片石墨，先将石墨加到150ml浓硫酸中，搅拌分散均匀后在缓慢加入30ml硝酸，然后冰浴搅拌24小时。

将得到的混合物倒入1000ml的去离子水中稀释，冷却至常温后过滤水洗，60度干燥24小时。后1000W微波膨胀，直至所有石墨都变为絮状。

在加入3.6g K₂SO₈和5.4g P₂O₅时需缓慢进行，后60度搅拌5h。倒入2L水中稀释、冷却至常温后抽滤水洗。室温干燥48h。