專利名稱：一種單層氧化石墨烯的制備方法
技術領域：
本發明涉及納米材料技術領域，特別涉及一種單層氧化石墨烯的制備方法。
背景技術：
2004年英國曼徹斯特大學的A. K. Geim小組首次用機械剝離石墨的方法制備出了石墨烯，并且進一步表征了石墨烯材料的各種基本性質。2010年Geim和Novoselov的研究工作被授予諾貝爾物理學獎。單層石墨烯為厚度僅為3.35人的二維晶體。在石墨烯尚未發現的時候，物理學界普遍認為長程有序的一維或者二維晶體材料是不存在的，透射電子顯微鏡觀察發現單層石墨烯表面存在固有的波浪形皺紋，這是使石墨烯保持熱力學穩定的可能原因。石墨烯是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，具有諸多奇特的物理性能，其導熱系數高達5300W/m*K，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V*s，而電阻率只有約10_6Ω .cm。石墨烯具有非常廣闊的應用前景，例如場發射源及其真空電子器件、導熱材料/熱界面材料、透明導電電極和太陽能電池等。 現有的石墨烯制備方法中，氧化石墨法是有希望實現石墨烯材料大批量生產的方法。氧化石墨法制備石墨烯大致可分為氧化、剝離、還原三步，其中最關鍵的步驟是制備氧化石墨烯。基本原理為石墨在硫酸、硝酸、磷酸等一種或幾種混合強酸和氧化劑的作用下可形成低階GIC，低階GIC可以被繼續氧化，隨后水解得到一種含氧官能團含量非常高的石墨產物即稱為氧化石墨。氧化石墨由于層間含氧官能團的存在，層間距約為O. 7^1. lnm，遠大于石墨的層間距O. 335nm，可以采用適當的剝離方法處理氧化石墨，將其剝離成幾層甚至是單層的氧化石墨烯，常用的剝離方法有超聲剝離和熱膨脹剝離等。超聲剝離局部能量很高，會在剝離過程中將氧化石墨烯打碎，而且長時間超聲還可能改變氧化石墨烯表面特性，使其重新發生聚合。而熱膨脹剝離過程中氧化石墨稀表面的官能團會受熱分解，最終得到含氧量較低的石墨烯，性能和氧化石墨烯完全不同。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種不需要剝離工藝的單層氧化石墨烯的制備方法，該制備方法操作簡單，制備時間短，得到的氧化石墨烯厚度均
O為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種單層氧化石墨烯的制備方法，包括以下過程將膨脹石墨與酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑，冰水浴混合攪拌IOmirTlh,將混合物升溫至3(T50°C并持續攪拌O. 5 2h，隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，將其溶于去離子水制備成氧化石墨烯液保存。上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為20-40ml:lg，強氧化劑與膨脹石墨比例為2-5g: lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為40-150ml: lg，雙氧水與膨脹石墨比例為5—lOml:Ig0
上述方法中，與膨脹石墨混合的酸為濃硫酸、磷酸、硝酸或它們的混合酸；強氧化齊IJ為高錳酸鉀、NaNO3、KNO3、高氯酸、高鉻酸或它們任意比例的混合物。所述膨脹石墨的粒度為2-500 μ m。本發明具有以下優點制備過程簡單，耗時少，通過氧化一步可以得到單層的氧化石墨烯，省去了剝離步驟，通過測量可以看到，所得到的氧化石墨烯厚度均一，為O. 8^1. 2nm，符合單層氧化石墨烯的尺度。二維寬度為亞微米至微米級。


附圖為本發明實例I制得的氧化石墨烯的TEM圖片。
具體實施例方式實施例一 一種單層氧化石墨烯的制備方法，包括以下過程將粒度為2 μ m的膨脹石墨微粉與濃硫酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑高錳酸鉀，冰水浴混合攪拌lh，將混合物升溫至30°C并持續攪拌lh，隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為25ml: lg，高錳酸鉀與膨脹石墨比例為3g:lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為50ml: Ig,雙氧水與膨脹石墨比例為IOml :lg。氧化石墨烯TEM照片參照附圖，從圖中可以看出氧化石墨烯襯度與微柵的碳膜相當，并且存在較多褶皺。實施例二一種單層氧化石墨烯的制備方法，包括以下過程將粒度為10 μ m的膨脹石墨微粉與濃硫酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑高錳酸鉀，冰水浴混合攪拌lOmin，將混合物升溫至40°C并持續攪拌2h，隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為30ml: lg，高錳酸鉀與膨脹石墨比例為4g:lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為60ml: lg，雙氧水與膨脹石墨比例為5ml:lg。實施例三一種單層氧化石墨烯的制備方法，包括以下過程將粒度為200 μ m的膨脹石墨與濃硫酸、濃磷酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑高錳酸鉀，冰水浴混合攪拌lh，將混合物升溫至50°C并持續攪拌O. 5h，隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為25ml: lg，其中濃硫酸與濃磷酸體積比為4 :1，高錳酸鉀與膨脹石墨比例為5g:lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為50ml: lg，雙氧水與膨脹石墨比例為5ml:Ig0
權利要求
1.一種單層氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，包括以下過程將膨脹石墨與酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑，冰水浴混合攪拌IOmirTlh,將混合物升溫至3(T50°C并持續攪拌O. 5^2h,隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，將其溶于去離子水制備成氧化石墨烯液保存；上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為20-40ml:lg，強氧化劑與膨脹石墨比例為2-5g: lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為40-150ml: lg，雙氧水與膨脹石墨比例為5—lOml:Ig0
2.根據權利要求I所述的一種單層氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，所述膨脹石墨的粒度在2 500 μ m。
3.根據權利要求I所述的一種單層氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，所述與膨脹石墨混合的酸為濃硫酸、磷酸、硝酸或它們的混合酸，強氧化劑為高錳酸鉀、NaNO3^ KNO3、高氯酸、高鉻酸或它們的混合物。
4.根據權利要求I或2所述的一種單層氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，將粒度為2 μ m的膨脹石墨微粉與濃硫酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑高錳酸鉀，冰水浴混合攪拌lh，將混合物升溫至30°C并持續攪拌lh，隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為25ml: lg，高錳酸鉀與膨脹石墨比例為3g:lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為50ml: lg，雙氧水與膨脹石墨比例為IOml :lg。
5.根據權利要求I或2所述的一種單層氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，將粒度為.10 μ m的膨脹石墨微粉與濃硫酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑高錳酸鉀，冰水浴混合攪拌lOmin，將混合物升溫至40°C并持續攪拌2h，隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為30ml: lg，高錳酸鉀與膨脹石墨比例為4g:lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為60ml: lg，雙氧水與膨脹石墨比例為5ml:lg。
6.根據權利要求I或2所述的一種單層氧化石墨烯的制備方法，其特征在于，將粒度為.200 μ m的膨脹石墨與濃硫酸、濃磷酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑高錳酸鉀，冰水浴混合攪拌lh，將混合物升溫至50°C并持續攪拌O. 5h,隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，上述反應過程中，酸與膨脹石墨比例為25ml:lg，其中濃硫酸與濃磷酸體積比為4 :1，高錳酸鉀與膨脹石墨比例為5g:lg，水解反應時去離子水與膨脹石墨比例為50ml: lg，雙氧水與膨脹石墨比例為5ml: lg。
全文摘要
一種單層氧化石墨烯的制備方法，將膨脹石墨與濃硫酸或其混酸在冰水浴中混合，加入強氧化劑高錳酸鉀，冰水浴混合攪拌10min~1h，將混合物升溫至30~50℃并持續攪拌0.5~2h，隨后加入去離子水水解，反應穩定后加入雙氧水，所得產物用5%稀鹽酸和去離子水反復清洗，離心分離得到單層氧化石墨烯，本發明制備過程簡單，耗時少，通過氧化一步可以得到單層的氧化石墨烯，省去了剝離步驟。
文檔編號C01B31/04GK102897757SQ201210392839
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者黃正宏, 丁翔, 康飛宇, 沈萬慈 申請人:清華大學