一种单层氧化石墨烯水溶液的制备方法与流程

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种单层氧化石墨烯水溶液的制备方法。

背景技术：

氧化石墨烯在保留石墨烯优良特性的同时，表面含有大量的含氧官能团如羧基、羟基、环氧基等，使其具有良好的亲水特性，可以在中性或者弱碱性水溶液中均匀分散。

氧化石墨烯表面丰富的官能团有助于对其进行有机功能化改性，可以将长链脂肪烃、亲水性分子、聚合物、过渡金属离子等镶嵌在氧化石墨烯表面。表面改性处理可以减弱氧化石墨烯薄片间的范德华力，一定程度上抑制团聚现象的发生，还可以增强其复合性能。为获得具有光、电及生物医药等特殊功能的石墨烯复合材料奠定了坚实的基础。另外，将石墨转变为氧化石墨是大规模生产石墨烯的战略基点。

制备氧化石墨烯的方法主要有Brodie法，Staudenmaier法及Hummers法。这些方法通常由如下几步组成：(1)在低温下使用浓硫酸，浓硝酸等对石墨进行插层处理，得到石墨层间化合物；(2)引入强氧化剂对石墨层间化合物进行氧化；(3)经洗涤干燥后得到氧化石墨。相比其他方法而言，Hummers法比较安全。用Hummers法制备氧化石墨烯，生产周期短，合成产量高。

Hummers法是在冰浴处理的浓硫酸中依次加入石墨粉、无水硝酸钠，强力搅拌，并在搅拌过程中缓慢加入高锰酸钾，以避免反应体系的温度超过20℃；随后移去冰浴，35℃水浴处理30min后，加入蒸馏水；后移至90℃水浴处理15min，再次加入一定量的蒸馏水；最后向反应体系中加入适量体积分数为30％的H2O2，直至悬浮液变为亮黄色。然后经过滤、充分洗涤、真空干燥，即可制备出氧化石墨。

上述实验过程中存在问题是：当氧化程度高时，由于氧化石墨带有大量的羟基、羧基或者环氧基，随过滤的进行，片层间由于氢键相互作用，导致片层结合紧密，把滤纸孔隙堵塞，过滤时间很长，或者是无法通过过滤进行分离提纯。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种单层氧化石墨烯水溶液的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单层氧化石墨烯水溶液的制备方法，包括以下步骤：

(1)冰浴条件下将鳞片石墨2-200g和46-4600ml浓硫酸先后加入烧瓶，然后加入1-100gNaNO3，半小时后开始缓慢分数次加入6-600g高锰酸钾，控制温度不超过10-15℃，加料时间控制在2-3小时，加完后再反应半小时；

(2)在36-50℃水浴中反应0.5-1.5小时，溶液变为粘稠墨绿色；

(3)反应结束后缓慢加入0.1-10L水，在92-98℃水浴中反应半小时，此时溶液变为棕黄色，再加入温水稀释到0.195～27.2L；

(4)向体系中加入5-1000ml双氧水，在80℃反应半小时，溶液为金黄色；

(5)向体系中加入5％HCl0.2-60L，趁热4000-8000r/min离心，去掉上层清液，然后用水离心洗四遍，去掉体系中杂质盐；

(6)洗完配成溶液1.0-50L，用超声波细胞粉碎机在功率80Hz进行超声破碎5-10分钟；

(7)最后，用离心机在6000-8000r/min离心5-10min取上层清液，除去杂质沉淀，得到单层氧化石墨烯水溶液。

具体的，所述步骤1)中鳞片石墨为10000目或325目。

具体的，所述制得的单层氧化石墨烯水溶液能通过电化学法将单层氧化石墨烯沉积到铝合金表面。

本发明具有以下有益效果：本发明采用超细10000目片层石墨制备单层氧化石墨烯水溶液，产率达到95％以上，而文献上制备氧化石墨烯产率小于70％；文献上原有方法在步骤(5)完成后，氧化石墨水溶液用80Hz超声波超声分散，需要时间6h以上，而且分散效果不好，导致多层石墨的存在，而本方法利用超声波细胞粉碎机进行超声破碎5分钟，大大缩短了单层氧化石墨烯水溶液的制备时间；单层石墨烯片层的氧化程度高，水溶液放置两年无沉淀；本发明的方法可扩大生产，得到的单层氧化石墨烯水溶液可以利用电化学法将单层氧化石墨烯沉积到金属表面。

附图说明

图1是本发明实施例4制备的氧化石墨烯(GO)与石墨(GN)的红外光谱图。

图2是本发明实施例4制备的氧化石墨烯的TG分析谱图。

图3是本发明实施例4制备的氧化石墨烯的DSC分析图。

图4是本发明实施例4制备的氧化石墨烯的透射电镜图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

(1)冰浴条件下将10000目或325目的鳞片石墨2g和46ml浓硫酸先后加入烧瓶，然后加入1g NaNO3，半小时后开始缓慢分数次加入6g高锰酸钾，控制温度不超过10℃，加料时间控制在2小时，加完后再反应半小时；

(2)在36℃水浴中反应0.5小时，溶液变为粘稠墨绿色；

(3)反应结束后缓慢加入0.1L水，在92℃水浴中反应半小时，此时溶液变为棕黄色，再加入温水稀释到0.195L；

(4)向体系中加入5ml双氧水，在80℃反应半小时，溶液为金黄色；

(5)向体系中加入5％HCl 0.2L，趁热4000r/min离心，去掉上层清液，然后用水离心洗四遍，去掉体系中杂质盐；

(6)洗完配成溶液1.0L，用超声波细胞粉碎机在功率80Hz进行超声破碎5分钟；

(7)最后，用离心机在6000r/min离心5min取上层清液，除去杂质沉淀，得到单层氧化石墨烯水溶液，产率为96.2％。

制得的单层氧化石墨烯水溶液能通过电化学法将单层氧化石墨烯沉积到铝合金表面。

实施例2

(1)冰浴条件下将10000目或325目的鳞片石墨200g和4600ml浓硫酸先后加入烧瓶，然后加入100g NaNO3，半小时后开始缓慢分数次加入600g高锰酸钾，控制温度不超过15℃，加料时间控制在3小时，加完后再反应半小时；

(2)在50℃水浴中反应1.5小时，溶液变为粘稠墨绿色；

(3)反应结束后缓慢加入10L水，在98℃水浴中反应半小时，此时溶液变为棕黄色，再加入温水稀释到27.2L；

(4)向体系中加入1000ml双氧水，在80℃反应半小时，溶液为金黄色；

(5)向体系中加入5％HCl 60L，趁热8000r/min离心，去掉上层清液，然后用水离心洗四遍，去掉体系中杂质盐；

(6)洗完配成溶液50L，用超声波细胞粉碎机在功率80Hz进行超声破碎10分钟；

(7)最后，用离心机在8000r/min离心10min取上层清液，除去杂质沉淀，得到单层氧化石墨烯水溶液，产率为95.8％。

制得的单层氧化石墨烯水溶液能通过电化学法将单层氧化石墨烯沉积到铝合金表面。

实施例3

(1)冰浴条件下将10000目或325目的鳞片石墨80g和2000ml浓硫酸先后加入烧瓶，然后加入30g NaNO3，半小时后开始缓慢分数次加入450g高锰酸钾，控制温度不超过14℃，加料时间控制在2.5小时，加完后再反应半小时；

(2)在45℃水浴中反应0.8小时，溶液变为粘稠墨绿色；

(3)反应结束后缓慢加入8L水，在95℃水浴中反应半小时，此时溶液变为棕黄色，再加入温水稀释到22.8L；

(4)向体系中加入750ml双氧水，在80℃反应半小时，溶液为金黄色；

(5)向体系中加入5％HCl 40L，趁热6000r/min离心，去掉上层清液，然后用水离心洗四遍，去掉体系中杂质盐；

(6)洗完配成溶液30L，用超声波细胞粉碎机在功率80Hz进行超声破碎8分钟；

(7)最后，用离心机在7000r/min离心8min取上层清液，除去杂质沉淀，得到单层氧化石墨烯水溶液，产率为96.7％。

制得的单层氧化石墨烯水溶液能通过电化学法将单层氧化石墨烯沉积到铝合金表面。

实施例4

(1)冰浴条件下将10000目或325目的鳞片石墨150g和3600ml浓硫酸先后加入烧瓶，然后加入80g NaNO3，半小时后开始缓慢分数次加入280g高锰酸钾，控制温度不超过12℃，加料时间控制在2.5小时，加完后再反应半小时；

(2)在40℃水浴中反应1.2小时，溶液变为粘稠墨绿色；

(3)反应结束后缓慢加入2L水，在93℃水浴中反应半小时，此时溶液变为棕黄色，再加入温水稀释到11.5L；

(4)向体系中加入450ml双氧水，在80℃反应半小时，溶液为金黄色；

(5)向体系中加入5％HCl 20L，趁热7000r/min离心，去掉上层清液，然后用水离心洗四遍，去掉体系中杂质盐；

(6)洗完配成溶液20L，用超声波细胞粉碎机在功率80Hz进行超声破碎6分钟；

(7)最后，用离心机在6500r/min离心7min取上层清液，除去杂质沉淀，得到单层氧化石墨烯水溶液，产率为97.3％。

制得的单层氧化石墨烯水溶液能通过电化学法将单层氧化石墨烯沉积到铝合金表面。

采用傅里叶变换红外光谱仪测试样品的红外吸收光谱图。扫描范围4000-400cm^-1，KBr压片法制样。取样品氧化石墨烯或石墨烯1～3mg，于红外灯下在玛瑙研钵中研细，再加入100～300mg干燥的KBr，混合研磨均匀，使其粒度在2.5μm以下，放入锭剂成型器中。用(5～100)×10⁷Pa压力在油压机上加压3min左右即可得到一定直径及厚度的透明薄片，然后将此薄片放在仪器的样品窗口上进行测定。

图1为石墨(GN)和氧化石墨烯(GO)的红外光谱。通过FTIR光谱分析，可以对石墨在氧化还原过程中化学键的变化情况进行定性讨论。石墨结构层内碳原子间为sp²杂化的共价键，未参与杂化的Pz电子在结构层表面形成大的共轭π键，层间为分子键。从图中可以看出，石墨基本无红外吸收峰，理论分析石墨无红外活性。从图GO可以看出，氧化石墨烯在3366cm^-1处出现了属于羟基—OH的伸缩振动峰和部分残余水分子的吸收峰；在1731cm^-1处为羰基(C＝O)伸缩振动吸收峰；在1629cm^-1处为水分子的变形振动吸收峰；羟基中O—H强的面内弯曲振动吸收峰位于1406cm^-1；1228cm^-1处为C—OH的伸缩振动吸收峰；在1039cm^-1处为环氧官能团C—O—C的伸缩振动吸收峰。这说明制备氧化石墨存在—OH，—COOH，—C＝O和—CH(O)CH—等官能团，具有很好的亲水性。石墨氧化后结构层中碳原子之间的sp²键受到破坏，由于键合了羟基、羧基、环氧基等官能团，形成了sp³杂化的共价键型石墨层间化合物。氧化石墨结构层中水分子和结构层表面键合官能团的存在，使其层间距增加，削弱了层间分子键力，可以使氧化石墨超声分散于水或一些有机溶剂中。

热失重测试是研究氧化石墨热稳定性的主要方法。在分析氧化石墨的热失重时，要先明确氧化石墨中水分子的类型。通常，氧化石墨内部的水可分为三类:(I)游离水(BulkWater)，不受任何条件的约束；(2)吸附水(ConfinedWater)，这种水受任意临近表面的束缚，在它周围有大量的水使其发生平移扩散；(3)结构水(BoundWater)，这种水在固定的位置上非常稳定，只能够在局部运动。氧化石墨中氧的含量及其分布决定了氧化石墨的水的属性。水的摄取量随氧含量的增高而增加，同时干燥后氧化石墨的层间距也增大。

研究氧化石墨烯热稳定性的方法主要是热失重法。图2中的曲线为氧化石墨烯以10℃/min的升温速率从室温升至800℃得到的TG曲线。从图中可以看出，氧化石墨烯在50℃到100℃之间有轻微的失重(约8％)，这是氧化石墨烯中游离水和吸附水的蒸发所造成的。除此之外，氧化石墨烯有两个主要的失重台阶，第一个失重区间出现在168℃到173℃之间，放热峰出现在170.2℃，氧化石墨烯失重大约约70％,伴随这个放热峰发生的变化主要就是氧化石墨烯片层上的含氧基团的降解；第二个失重区间出现在430℃到550℃之间，放热峰出现在502.6℃左右，这个放热峰的出现是由氧化石墨烯的碳碳骨架的燃烧而引起的，这个放热峰温度比第一个放热峰温度高332.4℃，说明了氧化石墨烯中的氧的热稳定性比碳骨架上的热稳定性要低得多。

图3为氧化石墨烯DSC曲线。从图中可以看出，氧化石墨烯在100℃到200℃之间有很强的吸热峰，伴随这个放热峰出现所发生的变化主要是氧化石墨烯中含氧基团的分解、汽化，此外还有部分与含氧基团相结合的结构水的汽化，生成了CO2和水等小分子。另外，在温度460℃到530℃区间有个强的吸热峰，主要是氧化石墨烯中较稳定的碳碳骨架基团的分解所致。

氧化石墨烯的透射电镜分析图如图4所示。整体上氧化石墨烯形貌是卷曲的透明薄纱的片状，出现的大量褶皱起伏的片层结构，是为了减少体系的表面能而使其稳定存在。