[发明专利]一种水溶性石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种水溶性石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种有碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的新型二维碳质纳米材料，2004年，Geim等人用微机械剥离法首次成功制备出了石墨烯，石墨烯在化学、物理、材料、电子等领域显示了广阔的应用前景。尤其是其极高的机械强度，出色的导电、导热、抗菌性能以及丰富的来源，使其成为一种理想的纳米填料。由于这些优越的性能，引起了国内外研究者的广泛关注，使得石墨烯被广泛的运用于各种领域。

通过引入磺酸基团对石墨烯进行水溶性改性，大大提高了其水溶性，使其应用于生物医疗、电极材料、荧光淬火、生物传感和能源方面等复合材料。

石墨烯的制备方法主要有：

化学气相沉积法（CVD）：制备简单易行，所得石墨烯质量高，可实现大面积生长，目前已逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。

微机械剥离法：过程简单，产物质量高，但产量低，难以实现石墨烯的大面积和规模化制备。

化学剥离法：所制备的氧化石墨烯具有很好分散性，易于组装，但往往会造成碳原子的缺失，故该法制备的石墨烯含有较多缺陷、导电性差。

热分解碳化硅（SiC）法：该法可获得大面积的单层石墨烯，质量较高。但成本高，生长条件苛刻且生长出来的石墨烯难于转移。

水溶性石墨烯的制备方法主要包括非共价键修饰方法和离子键修饰方法。

非共价键修饰方法：选用具有共轭结构的高分子和小分子作为分散剂, 通过π?π相互作用吸附在石墨烯表面来抑制石墨烯的团聚。该法可以得到大量并可长时间稳定存在的石墨烯分散液。但石墨烯的有效吸附面积减小，且降低了其导电性。

离子键修饰方法：在pH值为10 左右的碱性条件下，通过透析除杂和控制还原, 在除去氧化石墨的羟基、环氧基等官能团的同时, 保留了其中的羧基负离子, 利用电荷排斥作用从而得到可以分散于水中的还原石墨烯。该法需要透析, 除盐过程的周期较长, 较难制备大量的石墨烯溶液。

石墨烯既不亲水也不亲油，化学反应呈惰性，引入磺酸基团能有效地防止石墨烯在水溶液中发生集聚现象，改善石墨烯的水溶性，可操作性强；所制备的水溶性石墨烯能够稳定的分散在水以及有机溶剂中，绿色环保无污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种水溶性石墨烯的制备方法，通过引入磺酸基团能有效地防止石墨烯在水溶液中发生集聚现象，改善石墨烯的水溶性，提高石墨烯在溶剂中的分散性和在聚合物基体中的分散性。

本发明采用的技术方案：一种水溶性石墨烯的制备方法，其特征在于包含如下具体步骤（图1为本发明的实验方案示意图）：

（1）氧化石墨烯，将干燥好的鳞片石墨加入到硝酸钾和浓硫酸的混合物中，超声混合均匀，冰水浴中搅拌并缓慢加入高锰酸钾；随之体系温度升至35～45℃，高速搅拌6 h；随之缓慢加入蒸馏水，体系升温至60～80℃并反应半小时；再向体系中加入蒸馏水和双氧水（质量百分浓度为30%）并反应5 min，得到亮黄色的氧化石墨烯母液；蒸馏水离心洗涤pH=6～8，得到纯净的氧化石墨烯，在其中加入十二烷基苯磺酸钠，超声混合均匀，即得到氧化石墨烯凝胶；

按照鳞片石墨烯：硝酸钾：高锰酸钾：浓硫酸：蒸馏水：双氧水用量比为1 g：（1.0～1.8 g）：6 g:（30～60 mL）：180 mL：6 mL加入；

（2）还原石墨烯，取一定浓度的氧化石墨烯悬浮液，剧烈搅拌下加入水合肼，80℃水浴中回流6～12 h，反应完成冷却至室温，过滤，无水乙醇多次洗涤，烘干得到纯净的还原石墨烯；

按照氧化石墨烯水悬浮液：水合肼体积比为30 mL：（60～80 mL）加入；

（3）羟基化石墨烯，取石墨烯、二羟基苯甲醛、甲氨基乙酸加入到DMF中，超声分散均匀，在油浴110～130℃下搅拌回流反应，趁热离心，无水乙醇反复洗涤，烘干，得到羟基化石墨烯；

按照石墨烯：二羟基苯甲醛：甲氨基乙酸质量比为1 g：（0.1～0.4 g）:（0.1～0.4 g）加入；

（4）环氧基化石墨烯，氮气保护下将羟基化石墨烯、Y-缩水甘油醚氧丙基三甲基硅烷（KH560）硅烷偶联剂溶解在乙醇，超声混合均匀，室温放置反应15～24 h，超声作用下用乙醇洗涤除去未反应完全的KH560；氮气保护下分离环氧基化石墨烯，过滤，甲醇反复冲洗；

按照羟基化石墨烯：KH560质量比0.1 g:（0.5～2.0 g）加入原料；