为氧化剂制备氧化石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及一种以K2FeO4S氧化剂制备氧化石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]我国石墨矿产资源储量大、质量优，但相关的石墨深加工技术却较为落后，加大研发力度，提高石墨产品附加值已迫在眉睫。氧化石墨烯作为一种新型材料，具有超大的比表面积以及优异的电学、力学、光学和热学性质。利用天然鳞片石墨制备氧化石墨烯的方法主要有 Brodie 法，Staudenmaier 法和 Hummers 法。其中 Brodie 法和 Staudenmaier 法氧化比较剧烈，会产生大量的氯气等有毒气体，高浓度下会发生爆炸，并且氧化的时间较长，氧化程度也不高Summers法反应时间短，安全性高，但是反应过程中需控制的工艺因素较多，操作复杂。针对以上三种方法的缺点，本发明使用K2FeO4作为氧化剂，改进了氧化石墨烯的制备方法。本发明制备的氧化石墨烯具有氧化时间短、氧化程度高、安全可靠等优点。
【发明内容】
[0003]针对现有技术制备氧化石墨稀时的不足，本发明提供一种以K2FeO4为氧化剂制备氧化石墨烯的方法，该方法反应温和、反应时间短且不产生有毒气体，制备的氧化石墨烯氧化程度较高。
[0004]本发明提供的制备氧化石墨烯的方法，包括下列步骤:
[0005]S1.天然鳞片石墨的预氧化:将天然鳞片石墨、K2S20s、P205和浓硫酸按照1-3:2_3:2-3:36-56的重量比例混合，充分搅拌后在75-85°C的水浴条件下反应4.5_5h，反应结束后冷却至室温，加入去离子水稀释，抽滤并多次用去离子水洗涤固体产物直至洗涤滤液的酸碱度接近中性，将固体产物干燥得预氧化产物。
[0006]K2S20s、P205和浓硫酸按照本发明给出的上述重量比例混合后对天然鳞片石墨具有适宜的氧化性，反应较温和，预氧化能够顺利进行，不产生有毒气体。
[0007]S2.氧化石墨烯粗产物的制备:将0.5-1重量份SI制备的预氧化产物加入184-221重量份的浓硫酸中并充分搅拌分散得反应液，在搅拌条件下将20-30重量份的K2FeO4平均分多次缓慢加入上述反应液中，加完后在室温下反应2.5-3h得到氧化石墨烯粗产物；
[0008]经过预氧化后的石墨因其可参与氧化反应的活性点减少，其与浓硫酸和K2FeOja反应变的较为温和，不会因剧烈反应而引发爆炸或酸液飞溅等危害事故。
[0009]S3.氧化石墨烯的制备:将S2中制备的粗产物倒入100-150重量份的冰水中，加入90-120重量份的质量分数为5%-8%稀盐酸溶液，冷却至室温，离心后倒出上层清液，用去离水溶解离心管中的固体后再次离心，重复溶解、离心直至上层清液的酸碱度接近中性，将离心管中的剩余固体用去离子水洗出后烘干并真空干燥得氧化石墨烯。
[0010]在上述制备方法的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体要求。
[0011]具体的，SI及S2中的浓硫酸的质量分数为95% -98% ;SI中的水浴温度优选为800C ；S2中的K2FeO^均分成12-15份，间隔0.15-0.2h加入一份K 2Fe04;Sl及S3中所述酸碱度接近中性是指相应溶液的PH不小于6.5，酸性条件下氧化石墨烯不溶于去离子水，易于分离。
[0012]本发明本发明提供的制备方法克服了 Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法的缺点，该方法具有氧化时间短、反应温和、安全可靠等优点；本发明制备的氧化石墨烯氧化程度高，基本上无杂质；本发明制备的氧化石墨烯可以在水、乙醇、NMP、DMF等大部分溶剂中溶解，具有很好的可加工性。
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例1所制备的氧化石墨烯薄膜的透射电镜图；
[0014]图2为本发明实施例1所制备的氧化石墨烯粉末的红外图谱。
【具体实施方式】
[0015]以下结合具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0016]本发明中所使用的方法，如无特殊规定，均为常规方法，本发明所使用的试剂，如无特殊规定，均为市售产品。
[0017]实施例1
[0018]S1:天然鳞片石墨的预氧化:在10mL三口瓶中加入3g天然鳞片石墨、2.5gK2S2O^2.5g P205、24mL质量分数98%的浓硫酸(44.16g)，搅拌混合充分后移入80°C水浴中反应4.5h。反应完成后，将产物倒入IL烧杯中，冷却至室温，倒入500mL去离子水稀释，之后用布氏漏斗进行抽滤，多次用去离子水洗涤，直到洗涤液的酸碱度接近中性，即PH不小于6.5，将产物在50°C真空干燥12h，得到预氧化产物。
[0019]S2:氧化石墨稀粗产物的制备:将0.5g SI制备的预氧化产物与120mL质量分数98 %的浓硫酸(220.8g)加入500mL烧杯中，搅拌充分，然后将30g K2FeO4均分成12份，每隔0.2h缓慢加入I份，加完后在室温下反应2.5h，得到氧化石墨烯粗产物。
[0020]S3:氧化石墨烯的制备:将S2制备的粗产物倒入10mL的冰去离子水中，并且加入10mL质量分数5%的HCl溶液(102.3g)，待冷却至室温后，进行离心，倒出上层清液后，剩余固体物质用去离子水溶解后再次离心，重复溶解、离心直至上层清液的酸碱度接近中性即pH不小于6.5，将离心管中的剩余固体用去离子水洗出后烘干并真空干燥得氧化石墨烯。烘干时可将用去离子水洗出的产物倒入表面皿中，在50°C下烘干过夜，所述真空干燥可以为上述烘干完成后在50°C下真空干燥12h，得到氧化石墨烯薄膜，所得的氧化石墨烯薄膜的透射电镜图如图1所示，也可将薄膜研磨成粉末，得到氧化石墨烯粉末，其红外图谱如图2所示。
[0021]实施例2
[0022]S1:天然鳞片石墨的预氧化:在10mL三口瓶中加入3g天然鳞片石墨、2.0gK2S2O^2.0g P205、20mL质量分数98%的浓硫酸(36.8g)，搅拌混合充分后移入75°C水浴中反应5h。反应完成后，将产物倒入IL烧杯中，冷却至室温，倒入600mL去离子水稀释，之后用布氏漏斗进行抽滤，多次用去离子水洗涤，直到洗涤液的酸碱度接近中性，即PH不小于6.5，将产物在50°C真空干燥12h，得到预氧化产物。
[0023]S2:氧化石墨稀粗产物的制备:将0.5g SI制备的预氧化产物与120mL质量分数98 %的浓硫酸(220.8g)加入500mL烧杯中，搅拌充分，然后将20g K2FeO4均分成15份，每隔0.2h缓慢加入I份，加完后在室温下反应2.5h，得到氧化石墨烯粗产物。
[0024]S3:氧化石墨烯的制备:将S2制备的粗产物倒入120mL的冰去离子水中，并且加入IlOmL质量分数5%的HCl溶液(112.5g)，待冷却至室温后，进行离心，倒出上层清液后，剩余固体物质用去离子水溶解后再次离心，重复溶解、离心直至上层清液的酸碱度接近中性即pH不小于6.5，将离心管中的剩余固体用去离子水洗出后烘干并真空干燥得氧化石墨烯。烘干时可将用去离子水洗出的产物倒入表面皿中，在50°C下烘干过夜，所述真空干燥可以为上述烘干完成后在50°C下真空干燥12h，得到氧化石墨烯薄膜，也可将薄膜研磨成粉末，得到氧化石墨烯粉末。
[0025]实施例3
[0026]S1:天然鳞片石墨的预氧化:在10mL三口瓶中加入2g天然鳞片石墨、2.0gK2S2O^2.0g P