一种通过纯化和光微波还原制备石墨烯的方法与流程

本发明涉及石墨烯的制备领域，特别地，涉及一种通过纯化和光微波还原来制备石墨烯的方法。

背景技术：

21世纪初，科学界出现了纳米石墨片这种材料。2006年，英国theuniversityofmanchester的两名科学家通过机械剥离的方法巧妙地制备了单层石墨，从而正式揭开了石墨烯这种材料的面纱，两人也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。理想的石墨烯材料有单层石墨构成，其碳原子与碳原子之间通过sp2杂化轨道相连接，而形成稳定的六元环结构。研究发现，石墨烯材料具有良好的各种物理化学性质。例如：比金属金更加好的电子导通性、比钢更好的机械强度、超大的比表面积、良好的光学性能、超导等。鉴于这些特殊的性质，石墨烯材料在军事、交通、移动设备等方面有巨大的应用潜力。

在工业生产中，应用氧化插层法可以大规模制取氧化石墨烯粉体。氧化插层法生产的氧化石墨烯浆料中含有大量的杂质离子，这些杂质离子会对以氧化石墨烯为原料制备出的石墨烯产生不利的影响。

氧化石墨烯的表面具有大量羟基、羧基、环氧基等官能团，具有较高的比表面积，在分析检测领域、改性聚合物材料、生物医药领域、光电相关领域、光催化中都有广泛的应用。因氧化石墨烯的特性，目前市面上大多采用化学试剂还原(如硼氢化钠、碘化氢、抗坏血酸等化学还原剂)、高温热还原、等离子体方法等。

现有的氧化石墨烯还原方法在生产过程中具有以下问题：一是采用化学试剂还原，需要用到大量的化学试剂，带来的副产物增加，后续清洗难度加大，环保风险增加，导致成本增加；二是采用高温热还原，氧化石墨烯还原温度较高，不同的还原温度得到的产品质量均匀性无法保证，同时也会带来产品灰分增加，设备腐蚀严重等问题；三是采用其他还原方法(如等离子体)，生产技术难点、成本会成倍增加，无法得到工业化大规模应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种通过纯化和光微波还原制备石墨烯的方法，该方法能够有效减少制备得到的石墨烯的杂质含量和官能团含量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种通过纯化和光微波还原制备石墨烯的方法。所述方法可包括以下步骤：将氧化石墨烯、络合剂与酸性溶液混合，形成混合液，其中，所述氧化石墨烯的官能团上结合有杂质离子；对所述混合液进行超声震荡，以使氧化石墨烯所结合的杂质离子脱除并与络合剂稳定结合；过滤，得到纯化后的氧化石墨烯；将纯化后的氧化石墨烯置于惰性气氛中；通过微波和光波辐照使纯化后的氧化石墨烯迅速升温至500℃以上，以分解其所带官能团并减少其层数，得到石墨烯，其中，微波能够以行波的方式透过所述纯化后的氧化石墨烯。

根据本发明的一个示例性实施例，所述氧化石墨烯官能团上结合的杂质离子包括金属杂质离子，例如mn²⁺、k⁺和fe³⁺中的至少一种。

根据本发明的一个示例性实施例，所述官能团上结合有杂质离子的氧化石墨烯中的所述杂质离子的重量百分比含量为0.01～1％，例如0.1％。

根据本发明的一个示例性实施例，所述纯化后氧化石墨烯中杂质离子的重量百分比为不高于0.01％。

根据本发明的一个示例性实施例，所述络合剂的加入量为能够与杂质离子络合反应的理论量的1.0～1.2倍。

根据本发明的一个示例性实施例，所述酸性溶液包括浓度为0.005～0.02mol/l的盐酸溶液或浓度为0.01～0.04mol/l的硫酸溶液。

根据本发明的一个示例性实施例，所述酸性溶液的ph为0.1～6。

根据本发明的一个示例性实施例，所述过滤步骤包括通过过滤膜进行过滤，并在过滤膜的下方设置抽滤机构来进行减压抽滤。

根据本发明的一个示例性实施例，所述抽滤减压的压强范围可以是10～100pa。

根据本发明的一个示例性实施例，所述进行超声震荡时，超声波的频率为50～750hz。

根据本发明的一个示例性实施例，根据本发明的一个示例性实施例，所述将纯化后的氧化石墨烯置于惰性气氛中的步骤可包括：通过气体将所述纯化后的氧化石墨烯送入内部充满氮气或惰性气体的管状容器中；其中，所述管状容器的两端具有开口，所述气体能够从管状容器的一个开口流入，所述气体包括氮气或惰性气体。

根据本发明的一个示例性实施例，所述方法还可包括步骤：在得到所述石墨烯之后，通过抽滤的方式将石墨烯从管状容器的另一个开口中取出。

根据本发明的一个示例性实施例，所述气体在所述管状容器内的流速可在10cm³/s以下，例如1～8cm³/s；所述气体能够送入氧化石墨烯的量可在1g/cm³以下，例如0.5±0.3g/cm³。

所述光波和微波的辐照时间可在10min以下，例如5±3min。

根据本发明的一个示例性实施例，所述微波和光波辐照的方向与所述气体在管状容器内流动方向可相互垂直。

根据本发明的一个示例性实施例，所述管状容器内的真空度可在100pa以下。

根据本发明的一个示例性实施例，所述管状容器可包括石英管，所述微波和光波能够透过石英管管壁辐照所述氧化石墨烯。

根据本发明的一个示例性实施例，所述光波可包括红外线或者远红外线。

根据本发明的一个示例性实施例，所述方法还可包括步骤：对所述得到的石墨烯进行冷却、干燥。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明能够有效地使氧化石墨烯和杂质离子分离，可以提高氧化石墨烯纯化的彻底性，本发明的纯化效率高、成本低。光微波对氧化石墨烯的加热速度快、加热均匀，无热惯性，节能高效，还原效率高，并能够实现对氧化石墨烯的选择性氧化，得到的石墨烯上杂质含量和官能团含量少。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例中的通过纯化和光微波还原制备石墨烯的一个流程示意图。

图2示出了本发明一个示例性实施例中的微波、光波辐射系统与管状容器位置关系的一个示意图。

主要图例说明：

1-石英管；2-光波管；3-微波谐振腔。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的通过纯化和光微波还原制备石墨烯的方法。

制备石墨烯可以将氧化石墨烯作为原料，而氧化石墨烯中往往会结合有杂质离子，这就导致氧化石墨烯的纯度不高，生产出的石墨烯中往往会有较高的杂质含量。现有的还原氧化石墨烯中加热环节中常采用传统的加热方式，而传统的加热方式是通过热传导、对流、热辐射等先将热量传递给物体表面，再通过热传导逐步使物体中心温度升高，它要使中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间就更长。

通过络合剂和稀盐酸洗涤的方法，并配合超声作用，能有效地使氧化石墨烯和杂质离子分离，同时分离出杂质离子在络合剂的作用下不会再和氧化石墨烯结合，可提高了纯化的彻底性，避免了其反复结合。微波的加热方式属于内部加热，电磁能可直接作用于介质分子转换成热，且透射使介质内外同时受热，不需要热传导，故可在短时间内达到均匀加热。微波能够均匀渗透，光波也能够辅助微波快速的加热物体，使加热更加均匀。

为此，本发明提出了一种以氧化石墨烯为原料，通过纯化和光微波还原来制备石墨烯的方法。

图1示出了本发明一个示例性实施例中通过纯化和光微波还原制备石墨烯方法的一个流程示意图。

在本发明的一个示例性实施例中，所述通过纯化和光微波还原制备石墨烯方法可包括以下步骤：

将氧化石墨烯、络合剂与酸性溶液混合，形成混合液，如图1中的步骤s01。其中，氧化石墨烯的官能团上结合有杂质离子，杂质离子可包括金属杂质离子，例如mn²⁺、k⁺和fe³⁺中的至少一种。

对所述混合液进行超声震荡，以使氧化石墨烯所结合的杂质离子脱除并与络合剂稳定结合，如图1中的步骤s02。在超生波的作用下，与氧化石墨烯结合的杂质离子会与其脱离并与结合性更好的络合剂相结合，同时由于超声的作用，氧化石墨烯可以更好的分散并与h⁺结合，不会在向络合剂争夺金属离子。氧化石墨烯官能团上结合的杂质离子可包括mn²⁺、k⁺和fe³⁺中的至少一种。

过滤，分别得到纯化后的氧化石墨烯和包含有与络合剂稳定结合的杂质离子的溶液，如图1中的步骤s03。

将纯化后的氧化石墨烯置于惰性气氛中，如图1中的步骤s04。例如，可将氧化石墨烯送入充满氮气或惰性气体的容器中。其中，所述容器可包括两端具有开口的管状容器。进一步地，可包括横向水平设置且左右两端具有开口的管状容器。

通过微波和光波辐照，使氧化石墨烯(例如容器内的氧化石墨烯)迅速升温至500℃以上，以分解其所带官能团并减少其层数，得到还原氧化石墨烯(即石墨烯)，如图1中的步骤s05。其中，微波能够以行波的方式透过氧化石墨烯，本发明通过微波单向传输，形成了不断传输的行波波形，这能够能避免驻波效应引起的局部高温现象，能够提高氧化石墨烯处理的一致性。微波的频率可为300mhz～300ghz，进一步地，可为800mhz～250ghz。所述光波的频率可为3×10¹¹～3.8×10¹⁴hz，进一步地，可为2×10¹²～2.5×10¹⁴hz。通过微波和光波的同时作用，氧化石墨烯能够迅速升温至500度以上，其所带官能团会迅速分解，由于其所带官能团为含氧官能团，会在分解瞬时产生大量的气体，如水蒸气、二氧化碳等产生，气体在氧化石墨烯片层间膨胀，能够使制备得到的材料的层数更少，比表面积更大。进一步地，微波和光波能够使氧化石墨烯的温度升至500～1000℃，例如800±150℃。加热过程的主要加热源可是微波，光波可以起到辅助的作用，两者联合起来可以使被加热的氧化石墨烯温度迅速升高，有利于其脱氧处理。

在本实施例中，所述官能团上结合有杂质离子的氧化石墨烯中，所述杂质离子的重量百分比含量可为0.01～1％。

在本实施例中，本发明的原料不局限于氧化石墨烯，本发明还可以将含有氧化石墨烯的浆料作为原料，例如氧化插层法制得的氧化石墨烯浆料。

浆料中的氧化石墨烯的官能团上结合有杂质离子。浆料中的杂质离子可包括mn²⁺、no3^-、so4^2-、cl^-、k⁺和fe³⁺中的至少一种。

所述浆料中氧化石墨烯的含量可为0.01～100g/l，氧化石墨烯上杂质离子的质量占比可为0.01～1％。所述络合剂的加入量为能够与杂质离子络合反应的理论量的1.0～1.2倍。

若浆料中未有与氧化石墨烯官能团结合的金属杂质离子，浆料中金属杂质离子的浓度可为10^-6～1g/l，针对单位体积的浆料，络合剂的加入量可为10^-6～1.2g/l。

若浆料中也可存在未与氧化石墨烯官能团结合的金属杂质离子，这部分金属杂质离子也与络合剂结合而稳定存在。络合剂的加入量液应考虑这部分离子的含量。

在本实施例中，所述含有官能团并含有杂质的氧化石墨烯也可通过以下方法制备得到：

称取重量比为0.8～1.2:0.4～0.6:2～4的石墨、硝酸钾和高锰酸钾均匀混合，加入浓硫酸，得到第一混合物。进一步地，所述石墨、硝酸钾和高锰酸钾的质量比可以是0.85～1.1:0.4～0.6:2～3，例如，石墨、硝酸钾和高锰酸钾的质量比可以是1:0.5:3。所述浓硫酸的加入量可以是经验值，例如5g～150g的石墨对应加入115ml～3450ml98％的浓硫酸。所述石墨可以为膨胀石墨或者鳞片石墨中的一种。

将第一混合物分别在0℃～4℃、35℃～45℃和80℃～100℃三个温度段下进行氧化处理，得到第二混合物。所述第一混合物需要经历低温、中温和高温三个恒温氧化时间段。在所述0℃～4℃的反应时间可以为3h～40h，在35℃～45℃的反应时间可以为2h～6h，在80℃～100℃的反应时间可以为5min～15min。所述氧化剂可以是双氧水。当然，本发明在上述各个温度段下反应的时间不限于此，可以根据实际反应情况进行调节。

在第二混合物中加入氧化剂进行氧化，酸洗，水洗，得到含有官能团并含有杂质的氧化石墨烯。所述氧化剂可以为双氧水。

在本实施例中，络合剂可包括柠檬酸、柠檬酸钠、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、乙二胺四乙酸钠、聚丙烯酸、葡萄糖酸钠或海藻酸钠。

在本实施例中，所述酸性溶液能够提供反应所需的液体反应环境。酸性溶液可包括浓度为0.005～0.02mol/l的盐酸溶液或浓度为0.01～0.04mol/l的稀硫酸溶液，进一步地，稀盐酸浓度可为0.01mol/l，稀硫酸浓度可为0.02mol/l。

进一步地，酸性溶液可包括稀盐酸溶液，这是因为插层氧化法制备的氧化石墨烯本体中会含有一定量的硫酸，利用稀盐酸能够更快速的清洗氧化石墨烯。

在本实施例中，在进行超声时，超声波的频率可为50～750hz，该范围的超声频率能够使氧化石墨烯官能团上的杂质离子更好的脱除。

在本实施例中，经纯化，氧化石墨烯上杂质的去除率可达99％以上，例如所述纯化后氧化石墨烯的杂质离子的重量百分比可不高于0.01％。

在本实施例中，可通过过滤膜来进行过滤，以使纯化后的氧化石墨烯和包含杂质的溶液向分离。其中，氧化石墨烯留在过滤层上，含有杂质的溶液能够透过过滤膜。所述过滤膜可包括聚碳酸酯膜(即pc膜)。

还可在过滤层的下方设置减压抽滤装置，以使含有杂质的溶液更好的透过过滤层。其中，可通过在过滤膜下设置真空泵来实现减压抽滤。抽滤减压的压强范围可以是10～100pa。

在本实施例中，当使用过滤膜进行过滤时，所述方法还可包括步骤：在过滤膜之上设置缓冲保护层，以吸收并缓冲超声震荡时超声波对过滤膜的影响。缓冲保护层能够吸收超声处理剩余的能量，以减少超声能量对过滤层的损害，例如，当过滤部件为聚碳酸酯膜(即pc膜)时，过剩的超声能量能够对其造成伤害。所述缓冲保护层可包括海绵，海绵的厚度可为1～100cm。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：对所述纯化后的氧化石墨烯进行检测离子浓度检测，以确定氧化石墨烯是否还需要继续进行纯化。其中，可通过icp(inductivelycoupledplasma，感应耦合等离子体)离子浓度检测器进行检测。

在本实施例中，作为原料的氧化石墨烯的层数可为数十层以上，例如30～50。作为产品的石墨烯的层数可为10层以下，例如5～8层。

经光微波还原后的氧化石墨烯上官能团的脱除率可达85％以上，进一步地可为95％以上。氧化石墨烯层数降低百分比可为80％以上，例如可由40层降低至6层。

在本实施例中，可通过气流将氧化石墨烯送入管状容器。也可通过气流将得到的石墨烯送出管状容器。换而言之，可在管状容器的一个开口通入负载有氧化石墨烯的气流；所述气流能够携带(或推动)物料流经管状容器的腔体；在流动过程中，氧化石墨烯会被还原为石墨烯；最终气流负载(或推动)着石墨烯从管状容器的另一个开口流出。所述气流中的气体可包括氮气或惰性气体。

其中，气体在管道容器内的流速可为10cm³/s以下，气体的流速控制在该范围内能够使氧化石墨烯顺利进入管状容器中，以使其被微波充分还原。进一步地，气体流速可为0.01～8cm³/s，再进一步地，可为2～5cm³/s。

管状容器的两个开口可设置有阀门，在气体将氧化石墨烯送入之后，可关闭阀门。同时可调整管状容器内的真空度，避免空气的影响。

所述气流上负载的氧化石墨烯的量可为10g/cm³以下，例如0.1～10g/cm³，进一步地，可为2～10g/cm³。

针对上述的氧化石墨烯，所述光波的功率可为200～500w，所述微波的功率可为500～5500w，例如2000w。。光波和微波的处理时间相同，可控制在10mim以下，例如可为30s、2min或7min等。

在本实施例中，本发明能够通过光微波的功率、处理的时间来实现对氧化石墨烯的选择性氧化，即可根据需求得到不同含氧量的石墨烯。

在本实施例中，所述微波和光波辐照的方向可与所述气流的方向相互垂直。这样能够使光波和微波能够更好的穿透氧化石墨烯，充分辐照，避免因物料体积变大而导致微波反射，进而影响深层颗粒的辐照。

在本实施例中，所述管状容器可包括横向设置在石英管。石英管是透明的，不会隔绝光线与微波的穿透效果，具有对光波、微波的无阻断特性，即所述微波和光波能够透过石英管管壁辐照所述氧化石墨烯。石英管耐高温、热膨胀系数极低、化学稳定性极好、电绝缘性优良、微波可透过性极高的。本发明的石英管能够耐高温，可承受急冷急热；可承受正负压力大于1mpa的冲击。

本发明可通过微波系统来发射微波，微波系统可包括微波源、微波谐振腔和微波防泄漏机构组成。其中，微波源是产生微波能的电子器件，可由磁控管、高压变压器、高压整流回路、散热风机、过电流保护、异常温度保护和波导等器件组成。微波谐振腔是微波能的主要储存容器，也是微波膨化反应的主要区域。防泄漏机构能够防止微波的泄露。

本发明可通过若干个光波管来发射光波。光波的作用主要起加热升温作用。所述光波可包括红外线或者远红外线。

如图2所示，微波系统的微波谐振腔3可环绕石英管2，这样微波可以透过石英管的管壁以行波的方式充分、均匀地辐照氧化石墨烯；两个光波管2可分布在石英管的两侧，这样光波也可透过石英管管壁充分、均匀地辐照氧化石墨烯。在光波和微波的协同作用下，氧化石墨烯能够快速的升温。

在本实施例中，氧化石墨烯的还原可在真空环境下进行，这样能够避免空气的影响，因为空气容易把热导走。容器内的真空度可在100pa以下。本发明还可设置一个真空表，以方便控制真空度。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：对所述得到的氧化石墨烯进行冷却、干燥。其中，冷却的步骤可包括水冷、气流冷却等。

综上所述，本发明的通过纯化和光微波还原制备石墨烯方法的优点可包括：

(1)在制备过程中能够有效地脱除氧化石墨烯上杂质离子分离，同时分离出杂质离子在络合剂的作用下不会再和氧化石墨烯结合，从而提高了纯化的彻底性，避免了其反复结合。

(2)光微波还原的加热速度快、均匀加热。若使用外部加热方式加热时，为提高加热速度，就需升高外部温度，加大温差梯度。然而随之就容易产生外焦内生现象。而微波加热时不论形状如何，微波都能均匀渗透，产生热量，因此均匀性大大改善。

(3)不同物料对微波有不同吸收率，含有水份的物质容易吸收微波能。玻璃、陶瓷、聚丙烯、聚乙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属将反射电波，这些物质都不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在加热室内，加热室对电磁波来说是个封闭的腔体，电磁波不能外泄，只能被加热物体吸收，加热室内的空气与相应的容器都不会被加热，所以热效率高。同时工作场所的环境温度也不会因此而升高，生产环境明显改善，节能高效。

(4)光微波还原过程中的设备可采用耐腐蚀性的光微波管道，不与氧化石墨烯热分解出的腐蚀性气体反应，同时反应管道内受热均匀，不形成热氛围气团，无热惯性。

(5)在进行光微波还原时，不会产生大量粉尘，操作环境良好。

(6)本发明能够根据光微波功率大小、处理时间来氧化石墨烯表面官能团去除率，从而实现选择性热还原，制备含有不同含氧量的还原氧化石墨烯材料

(7)微波能是在封闭加热室、波道管内传输，能够使微波泄漏严格控制在国家安全标准指标内，大大低于国家制定的安全标准。而且微波不属于放射性射线、又无有害气体排放，是一种十分安全的加热技术。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。