[发明专利]一种制备氧化石墨烯的方法及其装置

说明书

本发明涉及氧化石墨烯制备领域，特别是一种制备氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：将石墨、酸和氧化剂加入到混料釜内，低温下混合后输入至第一管道反应器中，进行氧化反应；加入溶剂和还原剂混合均匀后，输入至第二管道反应器中，进行分散和还原反应，再经后处理得到氧化石墨烯。本发明通过管道控制物料的混合及反应方式，克服了传统的釜式反应器一锅煮的方式带来的缺陷，生产过程安全、高效，产品质量较为稳定，保证了反应过程中物料的连续化，物料混合均匀，氧化剂高锰酸钾的利用率较高，而且产物的氧化程度较高，有益于工业化生产。

技术领域

本发明涉及氧化石墨烯制备领域，特别是一种制备氧化石墨烯的方法及其装置。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子堆积而成的二维蜂窝状晶格结构新型碳材料。因其具有高比表面积(2600m²/g)、高热导率(4800～5300W/(m·K))和高电子迁移率(15000cm²/(V·s))等性能，在复合材料、储能材料和太阳能电池等领域有着广泛的应用。

石墨烯的宏量制备是实现其诸多应用的前提。目前石墨烯的制备主要有以下方法：1)化学气相沉积法；2)微机械剥离石墨法；3)金属表面外延法；4)氧化还原法等。其中，氧化还原法是目前最为简便的方法，成本较低，能够实现大规模生产。因此，氧化石墨烯不仅是氧化还原法制备石墨烯的重要中间体，其自身所具有的特殊性质也使其在生物医学、改性聚合物材料等方面有着广泛的应用。

由于石墨天然的惰性，其氧化过程必须在较为苛刻的化学环境中完成，主要包括以下四种方法：1)Brodie法：该法采用发烟硝酸和氯酸钾作为强酸和强氧化剂，需重复氧化步骤才能提高氧化程度，另外氯酸钾的使用也有一定的危险性；2)Staudenmaier法：该法利用浓硫酸和发烟硝酸组成的混酸体系进行反应，以氯酸钾为强氧化剂，氧化程度可由搅拌时间来控制，但该方法严重地破坏了氧化石墨烯的碳层，且氯酸钾的使用也具有一定的危险性；3)Hummers法：该法采用浓硫酸和硝酸钠体系，以高锰酸钾为强氧化剂，产物氧化程度高、结构规整且易于在水中溶胀而层离得到单层氧化石墨烯，但硝酸钠的使用会产生有毒的氮氧化物，污染环境；4)改进的Hummers法：Kovtyukhova课题组将石墨在过硫酸钾和五氧化二磷的浓硫酸溶液中进行预氧化，再用高锰酸钾进行氧化，反应过程使用硝酸钠，可避免氮氧化物的产生，产物氧化程度也较高，但产生的废酸较多，操作也较为繁琐。CN103382028A中公布了一种分别以浓硫酸和高锰酸钾为强酸和强氧化剂制备氧化石墨烯的方法，但浓硫酸和高锰酸钾混合后会产生高活性的七氧化二锰，在传统的釜式反应器中进行该类反应需严格控制反应温度，否则容易引起安全事故。另外，通过釜式反应制备氧化石墨烯还存在物料搅拌不均匀、高锰酸钾利用率不高、需控温防止冲料但过低的反应温度并不利于反应快速进行等缺点。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的不足，提供了一种制备氧化石墨烯的方法，可以完全解决上述技术问题。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种制备氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)将石墨、酸和氧化剂按比例加入到混料釜内，在低温下充分混合；

(2)将上述混合物输入至第一管道反应器中，在一定温度下进行反应1～4h；

(3)向步骤(2)所得的反应混合物中加入一定量的溶剂和还原剂混合均匀后，输入至第二管道反应器中，在一定温度下进行反应1～50h；

(4)将步骤(3)的反应混合物经后处理得到氧化石墨烯。

进一步地，步骤(1)中所述的石墨的粒径为200微米以下，所述的酸为硫酸、硝酸、磷酸或乙酸的一种或多种，所述的氧化剂为高锰酸钾、氯酸钾、过硫酸钾或过硼酸钠的一种或多种，所述的氧化剂的粒径为200微米以下，所述的石墨、酸和氧化剂的质量比为1：10～100：1～20，所述的低温为-15～10℃。