一種具有高溶解性的石墨烯及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石墨烯新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有高溶解性的石墨烯的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]作為只具有一個(gè)碳原子層的二維碳材料，石墨烯一經(jīng)面世就受到世人的廣泛關(guān)注。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及電子運(yùn)動(dòng)方式，優(yōu)異的力學(xué)性能，突出的電磁學(xué)性能，使得石墨烯在諸多方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，石墨烯面臨著諸多的問(wèn)題。除了生產(chǎn)制備中的問(wèn)題外，限制石墨烯大規(guī)模應(yīng)用的最主要困難在于，石墨烯不易溶于水，乙醇以及絕大多數(shù)有機(jī)溶劑。
[0003]由于其本身的電子結(jié)構(gòu)，石墨烯表面活躍著大量的自由電子。這些自由電子的存在使得相臨石墨烯之間極易發(fā)生靜電相互作用，31相互作用等分子間的弱相互作用。這些弱相互作用使得石墨烯層片之間容易互相結(jié)合。另一方面，由于石墨烯本身的二維結(jié)構(gòu)熱力學(xué)并不穩(wěn)定，其表面具有大量的皺褶和結(jié)構(gòu)起伏。這些褶皺和起伏的存在使得石墨烯表面容易出現(xiàn)電場(chǎng)極化，從而加劇了石墨烯的團(tuán)聚。
[0004]作為由碳元素組成的單質(zhì)，石墨烯在水，乙醇等極性溶劑中不具有良好的溶解性。同時(shí)，由于其表面的特殊電子結(jié)構(gòu)，其在DMF等常見(jiàn)的絕大多數(shù)有機(jī)溶劑中亦不容易溶解。由于其不易溶和易團(tuán)聚的特性，使得石墨烯難以保存和運(yùn)輸，同時(shí)在應(yīng)用過(guò)程中也無(wú)法保證其使用的均勻性，從而影響到產(chǎn)品的性能。因此，探索一種合適的后處理工藝，使得石墨烯在常用溶劑中具有較好的溶解性，同時(shí)不易團(tuán)聚，成為目前石墨烯應(yīng)用中亟需突破的一大難點(diǎn)。
[0005]目前解決上述問(wèn)題的主要手段是對(duì)石墨烯進(jìn)行改性。即對(duì)石墨烯表面使用其他基團(tuán)進(jìn)行修飾，從而達(dá)到使石墨烯在一定溶劑中易于溶解的目的。但是這一方法既破壞了石墨烯的結(jié)構(gòu)，又在石墨烯上引入了新的基團(tuán)，因而大大影響了石墨烯本身的理化性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中，無(wú)法使石墨烯在溶劑中穩(wěn)定均勻的分散和溶解的技術(shù)難點(diǎn)，從而開(kāi)拓性的提供一種具有高溶解性的，在水溶劑中能夠穩(wěn)定均勻的分散的石墨烯材料的制備方法。這種制備方法能夠在不破壞石墨烯的各種理化性能的前提下，大大增強(qiáng)石墨烯的溶解性。
[0007]經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研宄，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)石墨烯材料不易溶解和易于團(tuán)聚的主要原因是其內(nèi)部石墨烯層片之間具有大量的分子間相互作用。由此，發(fā)明人使用外界的能量對(duì)石墨烯分散體系進(jìn)行沖擊，使其分子間相互作用被減弱甚至被破壞，從而達(dá)到改善石墨烯材料的溶解性的效果。為了不破壞石墨烯本身的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)明人使用微波輻照的方法對(duì)石墨烯材料進(jìn)行處理。通過(guò)控制反應(yīng)的時(shí)間和溫度來(lái)對(duì)石墨烯材料中分子間作用力進(jìn)行沖擊。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，在微波儀中，對(duì)石墨烯的分散液進(jìn)行輻照。溫度在80_180°C，時(shí)間在5-30分鐘，可以得到不影響石墨烯物理化學(xué)性能，同時(shí)具有高溶解性的石墨烯材料。
[0008]本發(fā)明是通過(guò)溫度和時(shí)間的控制，在還原氧化石墨烯的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行微波輻照，從而破壞其分子間作用力，得到具有高溶解性的石墨烯材料。
[0009]因此，本發(fā)明提供了一種具有高溶解性的石墨烯的制備方法，具有如下的過(guò)程和步驟:
a、由Hmnmers法制備氧化石墨，具體做法是在冰浴冷卻攪拌的條件下，往濃H2SO4中加入NaNO3，再將石墨邊攪拌邊加入其中，接著緩慢加入KMnO4,以保證溫度低于20°C，移去冰浴，使用水浴并保持溫度在35°C，保溫2小時(shí)，接著攪拌下緩慢加入去離子水，體系猛烈升溫到98°C，用98°C水浴保持15分鐘，然后用去離子水進(jìn)一步稀釋?zhuān)詈蠹尤?0%雙氧水還原體系中剩余的高錳酸鉀和二氧化錳，得到亮黃色體系，趁熱過(guò)濾，用鹽酸溶液洗滌，水洗，干燥得到氧化石墨；
b、將氧化石墨放入水熱反應(yīng)釜中，加入去離子水配成溶液，再加入化學(xué)還原劑水熱反應(yīng)后自然冷卻至室溫，抽濾，烘干得到還原氧化石墨烯；
C、將新制得的還原氧化石墨烯在超聲波條件下超聲，再放入微波條件下于80-180°C微波處理5-30分鐘，所得取出后靜置后得產(chǎn)品。
[0010]進(jìn)一步地，在步驟b中的化學(xué)還原劑可以是水合肼，所加入水合肼與氧化石墨水溶液的體積比為1:40。
[0011]進(jìn)一步地，在步驟b中的化學(xué)還原劑可以是硼氫化鈉，所加入的硼氫化鈉的比例為每4mL氧化石墨水溶液中加入lmg。
[0012]進(jìn)一步地，在步驟b中的水熱反應(yīng)條件為120°C保溫4h。
[0013]進(jìn)一步地，在步驟b中的烘干溫度控制在45°C。
[0014]最終得到產(chǎn)品尺寸大小在20_500nm。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益的效果:
本發(fā)明所制備的石墨烯材料具有一般石墨烯所不具備的高溶解性的特點(diǎn)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。同時(shí)在解決這一問(wèn)題的過(guò)程中不破壞石墨烯本身的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子排布。因而對(duì)石墨烯本身的物理化學(xué)性能的影響降到最低。利用該方法制備出的石墨烯可以在水溶劑中均勻分布，并可長(zhǎng)時(shí)間保存及運(yùn)輸，從而大大方便了石墨烯的使用，拓展了其使用范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1:尚洛解性石墨稀樣品Raman圖圖2:還原氧化石墨稀樣品Raman圖
圖3:高溶解性石墨烯樣品TEM圖圖4:還原氧化石墨烯樣品TEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
實(shí)施例1:
在冰浴冷卻和攪拌的條件下，往69ml濃H2SO4中加入1.5gNaN0 3 (研碎)，等NaNO3完全溶于H2SO4中后，將3g石墨邊攪拌便加入其中。緩慢加入9g KMnO 4，加入速度嚴(yán)格控制，以保證溫度低于20°C，接著移去冰浴，使用水浴并保持溫度在35°C左右，保溫2小時(shí)。攪拌下緩慢(開(kāi)始要很慢)加入137ml去離子水，體系猛烈升溫到98°C，后用98°C水浴保持15分鐘，用溫?zé)?60°C)去離子水進(jìn)一步稀釋到420ml，然后加入30%雙氧水Ilml (指過(guò)量)以還原體系中剩余的高錳酸鉀和二氧化錳，得到亮黃色體系。趁熱過(guò)濾，然后用體積比為1:10的鹽酸溶液洗滌一次，水洗三次。在烘箱中45°C干燥。將所制備的氧化石墨(GO)放入水熱反應(yīng)釜中，加入去離子水至40ml，加入化學(xué)還原劑水合肼1ml，水熱反應(yīng)120°C保溫4h，自然冷卻至室溫。所得體系用0.22um孔徑微孔濾膜抽濾。所得產(chǎn)物45°C烘干，為還原氧化石墨烯。將所制