专利名称：一种利用微波快速制备还原石墨烯的方法
技术领域：
本发明属于一种石墨烯材料的制备方法，具体地说涉及一种纳米还原石墨烯材料 的制备方法。
背景技术：
石墨烯(Graphene)是单原子厚度的二维碳原子晶体，为目前人工制得的最薄 物质，它被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元(Geim，A. K.等.自然材料6， 183(2007))。石墨烯具有优异的导电性，导热性和力学性能。除此以外，石墨烯的拉伸模 量(LOlTPa)和极限强度(116GPa)，与单壁碳纳米管(SWCNT)相当，其质量轻，与昂贵的 富勒烯和碳纳米管相比，石墨烯具有特殊的电磁特性，例如，高电子迁移率(室温下oh> 15, OOOcmVS"1) (Geim, Α. K.等·自然材料6，183 (2007))，不会消失的导电率(4e2/h)，反常 的量子霍尔效应，小的自旋轨道交互作用等；石墨烯具有极高的力学性能，并已被证实为目 前世界上强度最大的物质(拉伸模量E 1. OlTPa和极限强度σ 130GPa) (Lee, C.等.科 学321，385 (2008)。依托特殊的二维结构、高电/热导率、开关效应及低噪声等优点，石墨烯 可广泛应用于单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件。现有的还原石墨烯制备方法主要是高温或低温快速膨胀法，其主要过程是以氧化 石墨为原料，真空状态下通过快速升温使氧化石墨片层相互剥离，得到具有一定比表面积 的还原石墨烯。杨全红等人(200810151807. X)将装有氧化石墨的石英管放入200°C以上环 境中停留数小时，实现样品的快速升温，得到比表面积为200 800m2/g的氧化石墨烯。但 加热速度仍比较慢，耗能也较多。但至今没有微波辐射剥离氧化石墨烯的报道。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中的缺点和不足，提供一种快速制备还原石墨烯的 方法。本发明，的制备方法，其特征在于包括以下过程将氧化石墨研磨成粒径为1 100微米的细粉，在真空度0. OlPa IOPa或气氛 保护状态下，将氧化石墨以100W 2000W进行微波辐射处理，维持时间0. 1 200min，氧 化石墨体积迅速膨胀，得到还原石墨烯。所述的氧化石墨是由Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法或电化学氧化法合 成，在合成过程中所用石墨原料为块状石墨、土状石墨(无定形石墨)、鳞片石墨、高结晶性 石墨或人造石墨。所述的气氛为氮气或氩气。本发明利用微波辐射法加热制备还原氧化石墨。该还原石墨烯厚度为0. 3 20nm,比表面积为300 1500m2/g。本发明具有如下优点制备过程较简单，制备温度低，且易于操作，能量消耗较低， 所制的还原石墨烯比表面积可达到300 1500m2/g，还原石墨烯厚度为0. 3 20nm。该材料有良好的电化学能。其制备过程简单，应用前景广泛。
图1为本发明实施例1还原石墨烯的高分辨透射电子显微镜照片。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明实施例1以鳞片石墨为原料，采用Hummers法制备氧化石墨。在冰浴中，将IOg石 墨粉和5g硝酸钠与230mL的浓硫酸混合均勻，搅拌中缓慢加入30gKMn04。将其转移至35°C 水浴反应30min。逐步加入460mL去离子水，温度升至98°C继续反应40min，混合物由棕褐 色变成亮黄色。进一步加水稀释，并用质量分数30 %的H2A溶液处理，中和未反应的高锰 酸，离心过滤并反复洗涤滤饼，然后将其真空干燥，即得到氧化石墨。将制成的氧化石墨研磨成粒径为1 80微米的细粉，将粉碎后的氧化石墨装入微 波辐射装置中，开始抽真空，真空度为10Pa，开始微波辐射加热。微波功率800W，维持时间 lmin，得到还原石墨烯。利用氮气吸附测定所得还原石墨烯的比表面积，吸附温度为液氮温 度(77K)，测得的比表面积为450m2/g。该还原石墨烯片厚度为0. 3 15nm实施例2以高结晶性石墨为原料，采用Hummers法制备氧化石墨。在冰浴中，将Ig 石墨粉和0.5g硝酸钠与23mL的浓硫酸混合均勻，搅拌中缓慢加入3g ΚΜη04。将其转移至 35°C水浴反应30min。逐步加入46mL去离子水，温度升至98°C继续反应40min，混合物由棕 褐色变成亮黄色。进一步加水稀释，并用质量分数30%的H2O2溶液处理，中和未反应的高 锰酸，离心过滤并反复洗涤滤饼，然后将其真空干燥，即得到氧化石墨。将制成的氧化石墨研磨成粒径为1 60微米的细粉，将粉碎后的氧化石墨装入微 波辐射装置中，氮气气氛状态下，开始微波辐射加热。电功率300W，维持时间2min，得到还 原石墨烯。利用氮气吸附测定所得还原石墨烯的比表面积，吸附温度为液氮温度(77K)，测 得的比表面积为380m2/g。该还原石墨烯片厚度为0. 3 ISnm实施例3以鳞片石墨为原料为原料，采用Hummers法制备氧化石墨。在冰浴中，将 20g石墨粉和IOg硝酸钠与460mL的浓硫酸混合均勻，搅拌中缓慢加入60g ΚΜη04。将其转 移至35°C水浴反应30min。逐步加入920mL去离子水，温度升至98°C继续反应40min，混合 物由棕褐色变成亮黄色。进一步加水稀释，并用质量分数30%的H2A溶液处理，中和未反 应的高锰酸，离心过滤并反复洗涤滤饼，然后将其真空干燥，即得到氧化石墨。将制成的氧化石墨研磨成粒径为20 60微米的细粉，将粉碎后的氧化石墨装 入微波辐射装置中，在二氧化碳气氛状态下，开始微波辐射加热。电功率2000W，维持时间 lOmin，得到还原石墨烯。利用氮气吸附测定所得还原石墨烯的比表面积，吸附温度为液氮 温度(77K)，测得的比表面积为545m2/g，该还原石墨烯片厚度为0. 3 15nm实施例4以块状石墨为原料，采用Hummers法制备氧化石墨。在冰浴中，将5g石 墨粉和2. 5g硝酸钠与125mL的浓硫酸混合均勻，搅拌中缓慢加入15gKMn04。将其转移至 35°C水浴反应30min。逐步加入230mL去离子水，温度升至98°C继续反应40min，混合物由 棕褐色变成亮黄色。进一步加水稀释，并用质量分数30%的H2A溶液处理，中和未反应的 高锰酸，离心过滤并反复洗涤滤饼真空干燥即得到氧化石墨。
将制成的氧化石墨研磨成粒径为50 80微米的细粉，将粉碎后的氧化石墨装入 微波辐射装置中，开始抽真空，真空度为5Pa，开始微波辐射加热。微波功率1300W，维持时 间5min，得到还原石墨烯。利用氮气吸附测定所得还原石墨烯的比表面积，吸附温度为液氮 温度(77K)，测得的比表面积为985m2/g。该还原石墨烯片厚度为0. 3 IOnm实施例5以土状石墨为原料，采用Hummers法制备氧化石墨。在冰浴中，将IOg石 墨粉和5g硝酸钠与230mL的浓硫酸混合均勻，搅拌中缓慢加入30gKMn04。将其转移至35°C 水浴反应30min。逐步加入460mL去离子水，温度升至98°C继续反应40min，混合物由棕褐 色变成亮黄色。进一步加水稀释，并用质量分数30 %的H2A溶液处理，中和未反应的高锰 酸，离心过滤并反复洗涤滤饼，然后将其真空干燥，即得到氧化石墨。将制成的氧化石墨研磨成粒径为60 100微米的细粉，将粉碎后的氧化石墨装入 微波辐射装置中，开始抽真空，真空度为3Pa，开始微波辐射加热。电功率1500W，维持时间 20min，得到还原石墨烯。利用氮气吸附测定所得还原石墨烯的比表面积，吸附温度为液氮 温度(77K)，测得的比表面积为1125m2/g。该还原石墨烯片厚度为0. 3 0. Snm实施例6以土状石墨为原料，采用Maudenmaier法制备氧化石墨。将制成的氧化 石墨研磨成粒径为1 30微米的细粉，将粉碎后的氧化石墨装入微波辐射装置中，开始抽 真空，真空度为lPa，开始微波辐射加热。电功率1400W，维持时间60min，得到还原石墨烯。 利用氮气吸附测定所得还原石墨烯的比表面积，吸附温度为液氮温度(77K)，测得的比表面 积为1200m2/g。该还原石墨烯片厚度为0. 3 0. 7nm实施例7以土状石墨为原料，采用Brodie法制备氧化石墨。将制成的氧化石墨研 磨成粒径为1 50微米的细粉，将粉碎后的氧化石墨装入微波辐射装置中，开始抽真空，真 空度为0. lPa，开始微波辐射加热。电功率1800W，维持时间60min，得到还原石墨烯。利用 氮气吸附测定所得还原石墨烯的比表面积，吸附温度为液氮温度(77K)，测得的比表面积为 1200m2/g。该还原石墨烯片厚度为0. 3 0. 7nm。
权利要求
1.一种利用微波快速制备还原石墨烯的方法，其特征在于包括如下步骤将氧化石墨研磨成粒径为1 100微米的细粉，在真空度0. OlPa IOPa或气氛保护 状态下，将氧化石墨以100W 2000W进行微波辐射处理，维持时间0. 1 200min，氧化石墨 体积迅速膨胀，得到还原石墨烯。
2.如权利要求1所述的一种利用微波快速制备还原石墨烯的方法，其特征在于所述的 氧化石墨是由Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法或电化学氧化法合成。
3.如权利要求2所述的一种利用微波快速制备还原石墨烯的方法，其特征在于所述的 在Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法或电化学氧化法合成过程中所用石墨原料为块 状石墨、土状石墨、鳞片石墨、高结晶性石墨或人造石墨。
4.如权利要求1所述的一种利用微波快速制备还原石墨烯的方法，其特征在于所述的 气氛为氮气或氩气。
5.如权利要求1所述的一种利用微波快速制备还原石墨烯的方法，其特征在于所述的 还原石墨烯的厚度为0. 3 20nm，比表面积为300 1500m2/g。
全文摘要
一种利用微波快速制备还原石墨烯的方法是将氧化石墨研磨成粒径为1～100微米的细粉，在真空度0.01Pa～10Pa或气氛保护状态下，将氧化石墨以100W～2000W进行微波辐射处理，维持时间0.1～200min，氧化石墨体积迅速膨胀，得到还原石墨烯。本发明具有制备过程较简单，制备温度低，且易于操作的优点。
文档编号C01B31/04GK102107870SQ20111007276
公开日2011年6月29日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者刘燕珍, 李永锋, 杨永岗, 温月芳, 王茂章 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所