一种石墨烯的制备方法.pdf

本发明公开了一种石墨烯的制备方法。包括以下步骤：第一步、在氧化石墨烯分散液中加入SDBS搅拌均匀；第二步、往第一步所得溶液中加入强碱，搅拌均匀；第三步、将第二步得到溶液转入水热反应釜，一定温度下反应；第四步、将第三步所得产物经过滤或离心洗涤得到石墨烯产品。本发明制备的石墨烯所用的试剂无毒，避免了常规制备技术中水合肼等毒性试剂的使用；制备的石墨烯还原程度高，有望广泛用于石墨烯及其复合材料的制备中。

权利要求书
1.  一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、在氧化石墨烯分散液中加入SDBS搅拌均匀；
第二步、往第一步所得溶液中加入强碱，搅拌均匀；
第三步、将第二步得到溶液转入水热反应釜，一定温度下反应；
第四步、将第三步所得产物经过滤或离心洗涤得到石墨烯产品。

2.  如权利要求1所述的墨烯的制备方法，其特征在于，第一步中，氧化石墨烯 分散液的浓度为0.1～1.5mg/mL；SDBS的加入量为氧化石墨烯分散液质量的 0.05～0.25％。

3.  如权利要求1所述的墨烯的制备方法，其特征在于，第二步中，强碱为NaOH 或KOH，氧化石墨烯分散液中NaOH或KOH物质的量浓度为0.75～0.15mol/L。

4.  如权利要求1所述的墨烯的制备方法，其特征在于，第三步中，水热反应釜 的内衬采用聚四氟乙烯材料，水热反应温度为110～150℃，反应时间为2～8h。

5.  如权利要求1所述的墨烯的制备方法，其特征在于，第四步中，离心洗涤的 洗涤剂为去离子水或乙醇，离心速率为6000～15000rpm，离心次数为5～10次， 每次离心时间为2～10min。

说明书一种石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯的制备方法，具体是一种在碱性条件下利用水热反应制备 石墨烯的方法。
背景技术
自2004年，石墨烯被两位英国科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov发现 以来，就吸引了国内外研究者广泛的兴趣。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维 蜂窝状晶体结构，其在光学、电学、力学和热力学性能方面具有诸多优异的性能。如 石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的，其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和 1.1TPa，理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍。石墨烯的室温热导率约为5× 103W/m·K，是室温下铜热导率的10倍多。石墨烯独特的物理结构和优异的性能有望 促使其在光学器件、太能能电池、超级电容、传感器、复合材料和航空航天等领域得 到广泛的研究和应用。
目前，石墨烯的制备主要有三种典型的方法，即机械剥离法，氧化还原法和化学 气相沉积法。其中，机械剥离法和化学气相沉积法因反应条件苛刻、成本高等缺点不 利于广泛应用。相比较而言，氧化还原法是目前被广泛采用的一种方法，此方法成本 低，周期短，产量大，常被应用于石墨烯材料的制备。还原石墨烯的常用方法主要有 三类：第一类是使用还原剂在高温或者高压的条件下还原氧化石墨烯；第二类是直接 将氧化石墨烯在惰性气体保护下加热，使含氧官能团的稳定性下降，以水蒸气和二氧 化碳等形式离开氧化石墨烯；第三类是催化还原法，在光照或高温条件下，将催化剂 混合到氧化石墨烯中，诱导氧化石墨烯还原。
近年来，使用还原剂还原氧化石墨烯是一种较为有效的还原方法，其中还原剂包 括水合肼、硼氢化钠、强碱、维生素C等，如“Stankovich S,Dikin DA,Piner RD,Kohlhaas  KA,Kleinhammes A,Jia Y,Wu Y,Nguyen ST,Ruoff RS.Synthesis of graphene-based  nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide[J].Carbon,2007,45(7): 1558-1565.”以水合肼为还原剂将氧化石墨烯还原，“Fan X,Peng W,Li Y,Li X,Wang S, Zhang G,Zhang F.Deoxygenation of exfoliated graphite oxide under alkaline conditions:a  green route to graphene preparation[J].Advanced Materials,2008,20(23):4490-4493.”将 氧化石墨烯分散在强碱氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液中，在低于90℃的条件下，也还 原了氧化石墨烯。虽然以上两种方法，被研究者广为采用，但是第一种方法使用的还 原剂水合肼具有较强的毒性和挥发性，且制备过程超过24h，第二种方法较为简单， 但是整个制备过程需要在超声辅助下完成，且需要热循环水的加热，同时两种方法制 备的还原石墨烯对分离条件较为苛刻，如需要超高速的离心分离，透析洗涤等过程。 因此，寻求一种无毒、低成本、可快速制备和简单分离的石墨烯制备方法具有很大挑 战和吸引性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无毒、低成本、可快速制备和 简单分离的石墨烯制备方法，其工艺简单，容易掌握，可以进行大量生产。
实现本发明的技术解决方案为：以氧化石墨(GO)为原料，将其超声分散在水 溶液中，加入十二烷基苯磺酸钠(SDBS)增强其分散性，在NaOH或KOH碱性溶 液的作用下，经水热反应制得到石墨烯(RGO)。
一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
第一步、在氧化石墨烯分散液中加入适量SDBS搅拌均匀，增强氧化石墨烯分散性；
第二步、往第一步所得溶液中加入适量强碱，搅拌均匀；
第三步、将第二步得到溶液转入水热反应釜，一定温度下反应数小时；
第四步、将第三步所得产物经过滤或离心洗涤得到石墨烯产品。
第一步中，氧化石墨烯分散液的浓度为0.1～1.5mg/mL；SDBS的加入量为氧化石墨烯 分散液质量的0.05～0.25％。
第二步中，强碱为NaOH或KOH，氧化石墨烯分散液中NaOH或KOH物质的量浓 度为0.75～0.15mol/L。
第三步中，水热反应釜的内衬采用聚四氟乙烯材料，水热反应温度为110～150℃，反 应时间为2～8h。
第四步中，离心洗涤的洗涤剂为去离子水或乙醇，离心速率为6000～15000rpm，离心 次数为5～10次，每次离心时间为2～10min。
本发明制备石墨烯的方法，与现有技术相比，有如下优点：
(1)本发明制备的石墨烯所用的试剂无毒，避免了常规制备技术中水合肼等毒 性试剂的使用；
(2)本发明制备过程简单快捷，可用于大批量生产，整个反应过程在水热反应 釜中进行，水热反应温度相对较低，反应时间大大缩减，具有极大安全可靠性；
(3)本发明在石墨烯的洗涤、分离过程中具有简单快捷的优势，在较低的转速 下、较短的离心时间、较少的洗涤次数下即可离心获得石墨烯产品，传统技术常常需 要长时间的高速离心或透析过程才能实现石墨烯的分离；
(4)本发明制备的石墨烯还原程度高，有望广泛用于石墨烯及其复合材料的制 备中。
附图说明
图1是GO和实施例1-4制备的RGO的XRD谱图。
图2是实施例1制备的RGO的TEM图。
图3是实施例2制备的RGO的TEM图。
具体实施方式
本发明的一种石墨烯的制备方法，具体制备步骤如下：
第一步：将质量浓度为0.1～1.5mg/mL的GO分散在水溶液中，超声0.5～1.5h形成棕 黄色的氧化石墨烯分散液；
第二步，往第一步得到的氧化石墨烯分散液中加入质量浓度为0.05～0.25％的SDBS， 超声溶解，以增强氧化石墨烯分散性；
第三步，往第二步所得溶液中加入适量NaOH或KOH溶液，搅拌均匀，使氧化石墨 烯分散液NaOH或KOH物质的量浓度为0.05～0.15mol/L；
第四步，将第三步得到溶液转入一定规格水热反应釜，反应釜的体积填充率为 30～75％，在110～150℃下水热反应2～8h；
第五步，将第四步所得产物用去离子水或乙醇在6000～15000rpm下离心洗涤5～10次， 每次离心2～10min，将所得产品干燥得到石墨烯产品。
实施实例1：
第一步：将55mg的GO分散在60mL水溶液中，超声1h形成棕黄色的氧化石墨烯分 散液；
第二步，往第一步得到的氧化石墨烯分散液中加入0.1g SDBS，超声溶解，以增强氧 化石墨烯分散性；
第三步，往第二步所得溶液中加入5mL，2mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀；
第四步，将第三步得到溶液转入100mL的水热反应釜，在120℃下水热反应3h；
第五步，将第四步所得产物用去离子水在8000rpm下离心洗涤5次，每次离心3min， 将所得产品干燥得到石墨烯产品。
实施实例2：
第一步：将20mg的GO分散在60mL水溶液中，超声0.5h形成棕黄色的氧化石墨烯 分散液；
第二步，往第一步得到的氧化石墨烯分散液中加入0.05g SDBS，超声溶解，以增强 氧化石墨烯分散性；
第三步，往第二步所得溶液中加入2mL，2mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀；
第四步，将第三步得到溶液转入100mL的水热反应釜，在130℃下水热反应4h；
第五步，将第四步所得产物用去离子水在10000rpm下离心洗涤6次，每次离心4min， 将所得产品干燥得到石墨烯产品。
实施实例3：
第一步：将10mg的GO分散在30mL水溶液中，超声0.5h形成棕黄色的氧化石墨烯 分散液；
第二步，往第一步得到的氧化石墨烯分散液中加入0.02g SDBS，超声溶解，以增强 氧化石墨烯分散性；
第三步，往第二步所得溶液中加入1mL，2mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀；
第四步，将第三步得到溶液转入50mL的水热反应釜，在110℃下水热反应6h；
第五步，将第四步所得产物用去离子水在1000rpm下离心洗涤6次，每次离心3min， 将所得产品干燥得到石墨烯产品。
实施实例4：
第一步：将450mg的GO分散在300mL水溶液中，超声1.5h形成棕黄色的氧化石墨 烯分散液；
第二步，往第一步得到的氧化石墨烯分散液中加入0.6g SDBS，超声溶解，以增强氧 化石墨烯分散性；
第三步，往第二步所得溶液中加入20mL，2mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀；
第四步，将第三步得到溶液转入500mL的水热反应釜，在120℃下水热反应5h；
第五步，将第四步所得产物用去离子水在13000rpm下离心洗涤6次，每次离心5min， 将所得产品干燥得到石墨烯产品。
表征测试：将实施例1-4所得的石墨烯进行XRD表征，分析氧化石墨是否还原为石 墨烯，氧化石墨和实施例1-4所得的石墨烯XRD谱图如图1所示。图2和图3为实 施例1-2制备的石墨烯的TEM图。
从图1中可以看出，2θ≈10°的衍射峰为氧化石墨的特征峰，经水热反应，氧化石 墨的特征峰消失，在2θ≈25°出现了化石墨烯的特征衍射峰，从而可以判断氧化石墨烯 还原为石墨烯，从图2和图3中可以观测到实施例1-2所得的石墨烯为片层褶皱结构。