[发明专利]一种高质量氧化石墨烯制备方法

说明书

本发明公开一种高质量氧化石墨烯制备方法，涉及氧化石墨烯制备技术领域，其主旨在于提供一种氧化程度高、缺陷密度低的石墨烯制备方法。该方法主要方案为：A.室温下第一插层剂浓硫酸、第二插层剂硫酸盐及第三插层剂和磷酸盐混合物在鳞状石墨中扩散膨胀形成石墨夹层化合物；B.中温下使高锰酸钾充分氧化石墨夹层化合物，进一步加入过氧化氢获取氧化石墨烯原始样品；C.保温下除去过氧化氢，进一步离心洗涤获取纯净氧化石墨烯样品。本发明涉及方法简单易操作、成本低廉、可大批量制备，所制备氧化石墨烯具有高氧化程度、低缺陷密度、片层大而薄的优势，为还原石墨烯大规模制备提供了可靠来源。

技术领域

本发明属于氧化石墨烯制备技术领域，具体为高质量氧化石墨烯制备。

背景技术

氧化石墨烯自1859年Brodie首次合成以来已取得长足的发展，特别是2004年通过还原法将氧化石墨烯作为前驱体获得还原石墨烯，再次促进了氧化石墨烯的发展与应用。同时，氧化石墨烯本身具有优异的分散性、渗透溶胀性、绝缘性、近红外吸收、可功能化修饰等特点，被广泛应用在涂料、生物医药、有机太阳能电池、检测器等领域。

Hummers法是目前制备氧化石墨烯最常使用的方法，即将浓硫酸和硝酸钠与石墨混合，高锰酸钾为氧化剂。相比于之前的Brodie法和 Saudenmaier法，Hummers法以高锰酸钾和硝酸钠代替高氯酸钾和发烟硝酸，降低了实验危险性和有毒气体排放，但是硝酸钠还是会在氧化过程中产生少量有毒气体二氧化氮。2010年，Marcano等人在Hummers法的基础上将插层剂硝酸钠替换为磷酸制备氧化石墨烯，使得反应过程中完全不产生有毒气体，并且提高了氧化石墨烯的亲水性。但是，制备更高氧化程度和更低缺陷密度的氧化石墨烯仍然是科学研究者亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种高质量氧化石墨烯制备方法，该方法简单易操作，不需要特殊反应设备，制备出的氧化石墨烯具有氧化程度高、缺陷密度低的特点。

为了实现上述目的，本发明制备氧化石墨烯详细过程如下：

（1）石墨夹层化合物：将浓硫酸、第二插层剂和研磨的第三插层剂细粉混合作为插层剂，硫酸根与磷酸根摩尔比为1:1-25:1，在搅拌条件下加入鳞状石墨粉膨胀泡发12-48h得混合液A，石墨粉与插层剂总质量比为1:1-1:550；

所述的第二插层剂硫酸盐为硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钡、硫酸铝、硫酸铁、硫酸氢钠，硫酸氢钾中的一种或几种；第三插层剂为磷酸锂、磷酸钠、磷酸钾、磷酸镁、磷酸锌，磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢锂、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二锂中的一种或几种。

（2）氧化：在上述混合液A中15-45min内缓慢加入氧化剂高锰酸钾，石墨粉与高锰酸钾质量比为1:1-1:10，升至中温25-50℃搅拌反应4-10h；然后缓慢滴加质量浓度为10-30%的过氧化氢直至不再产生气泡，升温至50℃保温1-6h，获得混合液B；

（3）离心洗涤：将混合液B依次用 0.1-2 M 盐酸水溶液、去离子水离心洗涤至pH=5-7.4，沉淀物冷冻干燥得到棕黄色氧化石墨烯。

优选地，上述步骤（1）中，硫酸/硫酸氢盐和磷酸二氢盐混合体系作为插层剂的氧化效果更好。

优选地，上述步骤（2）中，中温氧化温度为40℃，氧化效果更好。