[发明专利]一种还原氧化石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电化学材料技术领域，具体涉及一种还原氧化石墨烯及其制备方法和应用。本发明提供的还原氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯、有机溶剂和甲基咪唑四氟硼酸盐类离子液体混合，得到氧化石墨烯分散液；(2)以步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液为电解质溶液，以导电材料为工作电极，采用三电极体系，利用恒电位法在工作电极的表面制备得到还原氧化石墨烯。本发明提供的制备方法工艺简单、原料成本低，制得的还原氧化石墨烯均匀，还原程度均一，还原程度可控，可重复使用性好，有利于还原氧化石墨烯的实际生产应用。

技术领域

本发明涉及电化学材料技术领域，具体涉及一种还原氧化石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

目前，氧化石墨烯(GO)的还原方式主要分为以下几类：

第一类：化学法，即使用化学还原剂直接还原GO，常用的化学还原剂有水合肼、硼氢化钠、氢气、氨气、维生素C、氢氧化钾、二甲基肼、对苯二酚、氢碘酸和苯胼等，它们可有效地去除碳原子层间的含氧官能团，将GO还原为石墨烯；

第二类：固相热还原法，即将GO在惰性气氛下放入加热炉中，短时间内加热到1000℃以上，通过GO表面上的官能团分解释放出CO₂和H₂O，将层间距撑开，同时达到还原GO和剥离成单层石墨烯的目的，得到的产物是固相石墨烯。在该过程中，绝大多数含氧基团已经除去，并且C＝C得到恢复，但是拉曼分析缺陷仍然存在，该方法得到的石墨烯较难分散入大多数极性或非极性溶剂，限制了其可处理性和与其他聚合物或无机材料等的相容性及分散性，不利于进一步的应用；另外，固相热还原法耗能巨大，得到的还原氧化石墨烯产品质量较差；

第三类：催化还原法，即在光照或高温下，将催化剂混合到氧化石墨烯中，诱导氧化石墨烯还原。比如，Williams等人以二氧化钛为催化剂在紫外光照下产生活性电子转移到氧化石墨烯上，使其直接还原可以得到石墨烯和二氧化钛复合材料。

自从Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法等氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。氧化-还原法可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难以分散在溶剂中的问题。

但氧化-还原法在宏量制备时易造成废液污染，且制备的还原氧化石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些将导致还原氧化石墨烯部分电学性能的损失，使还原氧化石墨烯的应用受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种还原氧化石墨烯及其制备方法和应用，本发明采用电化学还原氧化石墨烯，在制备过程中不需要强酸强碱等强氧化剂，不产生废液污染，避免造成实验室二次污染问题；经过电化学还原的氧化石墨烯，品质均匀，可以通过电位与电流大小以及还原时间的长短控制氧化石墨烯的还原程度，还原过程中氧化石墨烯五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷将会得到改善。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种还原氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯、有机溶剂和甲基咪唑四氟硼酸盐类离子液体混合，得到氧化石墨烯分散液；

(2)以步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液为电解质溶液，以导电材料为工作电极，采用三电极体系，利用恒电位法在工作电极的表面电沉积得到还原氧化石墨烯。

优选地，步骤(1)所述氧化石墨烯为粉状，所述氧化石墨烯的粒径为1～4μm。

优选地，步骤(1)所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、丙二酸二甲酯、二甲基亚砜、苯甲酰胺和邻苯二甲酸酐中的一种或几种；所述甲基咪唑四氟硼酸盐类离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。