一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法
【專利摘要】本發明公開了一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，包括以下步驟：1）石墨粉預處理，2）氧化石墨烯的制備。本發明公開了一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，包括所述的步驟1）和步驟2），還包括步驟3）還原石墨烯的制備。本發明利用綠色環保、傳質效果優良的離子液體制備石墨烯，獲得的石墨烯分散效果好，在水和溶劑中分散系度高。生產工藝對于設備要求較低制，制備過程環保，可以進行連續操作，可以大規模生產。離子液體制備體系可以回收重復利用，符合節國家能減排政策，具有良好的應用前景。
【專利說明】一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于應用化學和化學工程領域的技術，特別涉及一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法。
【背景技術】
[0002]離子液體，是由有機陽離子和有機或無機陰離子組成，在室溫或近室溫條件下呈液體狀態的一類有機鹽。作為一類環境友好的新型綠色溶劑，離子液體具有熱穩定性良好、溶解能力強、不揮發性、低熔點、較寬的電化學窗口、良好的導電與導熱性、良好的透光性與高折光率、高熱容、高穩定性。而且離子液還具有可設計性，通過調節和改變其陰陽離子的結構與組成，能夠提高離子液體自身的性能并開發出具有特殊功能的離子液體，以滿足特定的要求。相對于傳統的有機溶劑，離子液體表現出獨特的溶劑效應，是一種優良的反應介質，已被廣泛應用于化學合成、分離工程和納米材料制備等領域。
[0003]石墨烯作為一種新型材料，是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的一種炭質新材料，這種石墨烯晶體薄膜的厚度只有0.335nm，是頭發直徑的20萬分之一，是目前已知的世界上強度最高的材料，是構建其它維數炭質材料的基本單元，具有極好的結晶性和電化學性能。由于石墨烯具有這些性能優異，成本低廉，可加工性好等優點，使其在電子、信息、能源、材料和生物醫藥等領域具有重大的應用前景。
[0004]目前，石墨烯的制備手段通常可以分為2種類型，即化學方法和物理方法。物理方法是從具有高晶格完美型的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80nm以上。物理方法包括機械剝離法、取向附生法、加熱SiC法、爆炸法等；而化學方法是通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在IOnm以下。化學方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、球磨法、氧化石墨還原法等。這些方法或多或少存在著制備效率低、劇毒·物質、污染環境或不易回收等缺點。因此，開發綠色高效可回收的石墨烯生產介質和工藝是迫切需要解決的問題。離子液體綠色環保，目前還沒有利用離子液體制備石墨烯的方法。
【發明內容】
[0005]發明目的:本發明的第一個目的是提供一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法。本發明的第二個目的是提供一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法。
[0006]技術方案:為了解決上述問題，本發明的技術方案是提供一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，包括以下步驟:
1)石墨粉預處理:將石墨粉加入裝有酸性離子液體的容器中，通過超聲波震蕩預處理，使石墨粉均勻地與酸性離子液體混合得到混合物；
2)氧化石墨烯的制備:在混合物中加入酸和高錳酸鉀，將容器放入水浴中保溫，同時超聲波震蕩使反應產生的石墨烯剝離，從容器底部通入氧氣使酸性離子液體吸收氧氣，攪拌加熱處理后，離心獲得沉淀，將沉淀用稀鹽酸溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止，得到的產物真空冷凍干燥，獲得氧化石墨烯。
[0007]所述步驟I)中酸性離子液體為硫酸鹽離子液體、鹽酸鹽離子液體、醋酸鹽離子液體或磷酸鹽離子液體。
[0008]所述步驟I)和步驟2)中超聲波振蕩功率為90w~150w，所述超聲振蕩時間為10~30min。
[0009]所述步驟2)中酸為硫酸或者硫酸和硝酸的混合物。
[0010]所述步驟2)中酸的加入量為酸性離子液體質量的f 10%。
[0011]所述步驟2)中高錳酸鉀的加入量為酸性離子液體質量的2飛％。
[0012]一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，包括上述的步驟I)和步驟2)，還包括步驟3):稱取上述氧化石墨烯加入水，超聲后加入堿性離子液體和水合肼，加熱反應，反應液冷后離心分離，水洗、離心，乙醇洗滌得到固體產物，固體產物在真空冷凍干燥，獲得還原石墨烯。
[0013]所述步驟3)中堿性離子液體為嗎啉離子液體、硫酸氫鹽離子液體或羧酸鹽離子液體。
[0014]有益效果:本發明與現有技術相比，其顯著優點是:本發明利用綠色環保、傳質效果優良的離子液體制備石墨烯，強酸和強氧化性的物質用量少，可以大大減少石墨烯制備過程中造成的環境污染，獲得的石墨烯分散效果好，在水和溶劑中分散系度高。生產工藝對于設備要求較低制，制備 過程環保，可以進行連續操作，可以大規模生產。離子液體制備體系可以回收重復利用，符合節國家能減排政策，具有良好的應用前景。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例對本發明作更進一步的說明。
[0016]實施例1:氧化石墨烯的制備方法:
一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，包括以下步驟:
1)石墨粉的預處理:將Ig石墨粉加入裝有離子液體[BMM]C1的容器中，通過功率為90w的超聲波震蕩處理lOmin，使石墨粉均勻地與離子液體混合得到混合物；
2)氧化石墨烯的制備:在混合物中加入5%的硫酸和2%高錳酸鉀，將反應容器放入水浴中保溫，同時用功率90w超聲震蕩使石墨烯剝離，從容器底部通入氧氣使離子液體飽和吸收氧氣，10(TC攪拌處理30min，離心獲得沉淀，離子液體、硫酸和高錳酸鉀體系可以重復利用。將沉淀用5%稀鹽酸溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止。得到的產物真空冷凍干燥，獲得氧化石墨烯。
[0017]實施例2:氧化石墨烯的制備方法:
一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，包括以下步驟:
O石墨粉的預處理:將Ig石墨粉加入裝有離子液體[BMno2SO4的容器中，通過功率120W的超聲波震蕩處理lOmin，使石墨粉均勻地與離子液體混合得到混合物；
2)氧化石墨烯的制備:在混合物中加入5%的硝酸和3%的高錳酸鉀，將反應容器放入水浴中保溫，同時用功率120w的超聲波振蕩處理使石墨烯剝離，從容器底部通入氧氣使離子液體飽和吸收氧氣，10(TC攪拌處理40min，離心獲得沉淀，離子液體、硫酸和高錳酸鉀體系可以重復利用。將沉淀用5%稀鹽酸溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止。得到的產物真空冷凍干燥，獲得氧化石墨烯。
[0018]實施例3:氧化石墨烯的制備方法:
一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，包括以下步驟:
O石墨粉的預處理:將Ig石墨粉加入裝有離子液體[BMnO2SO4的容器中，功率150W的超聲波震蕩處理lOmin，使石墨粉均勻地與離子液體混合得到混合物；
2)氧化石墨烯的制備:在混合物中加入3%的硝酸、3%的硫酸和3%的高錳酸鉀，將反應容器放入水浴中保溫，同時用功率150w的超聲波處理使石墨烯剝離。從容器底部通入氧氣使離子液體飽和吸收氧氣，10(TC攪拌處理40min，離心獲得沉淀，離子液體、硫酸和高錳酸鉀體系可以重復利用。將沉淀用5%稀鹽酸溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止。產物真空冷凍干燥，獲得氧化石墨烯。
[0019]實施例4還原石墨烯的制備方法 稱取Ig上述實施例廣3制備的氧化石墨烯加入50g堿性離子液體[EMM] OH通過功率90w的超聲波處理20min，加入2ml水合肼，100°C加熱反應，反應液冷卻后10000r/min離心分離，水洗、離心，連續3次，乙醇洗I次。固體產物在真空冷凍干燥，獲得還原石墨烯。
[0020]實施例5還原石墨烯的制備方法
稱取Ig實施例廣3制備的氧化石墨烯加入100g堿性離子液體[EMM] [H2PO4]通過功率90w超聲波處理20min，加入2ml水合肼，100°C加熱反應，反應液冷卻后10000r/min離心分離，水洗、離心，連續3次，乙醇洗I次。固體產物在真空冷凍干燥，獲得還原石墨烯。
[0021]通過上述實施例廣3離子液體制備的氧化石墨烯的厚度為2_5nm，尺寸為8-10 μ m，在溶液中不團聚，說明氧化石墨烯尺寸較小，在液體中具有較好的分散性。實施例
4、5制備的石墨烯產率為1.5%-2%。
[0022]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)石墨粉預處理:將石墨粉加入裝有酸性離子液體的容器中，通過超聲波震蕩預處理，使石墨粉均勻地與酸性離子液體混合得到混合物； 2)氧化石墨烯的制備:在混合物中加入酸和高錳酸鉀，將容器放入水浴中保溫，同時超聲波震蕩使反應產生的石墨烯剝離，從容器底部通入氧氣使酸性離子液體吸收氧氣，攪拌加熱處理后，離心獲得沉淀，將沉淀用稀鹽酸溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止，得到的產物真空冷凍干燥，獲得氧化石墨烯。
2.根據權利要求1所述的一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步驟I)中酸性離子液體為硫酸鹽離子液體、鹽酸鹽離子液體、醋酸鹽離子液體或磷酸鹽離子液體。
3.根據權利要求1所述的一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步驟I)和步驟2)中超聲波振蕩功率為90w~150w，所述超聲振蕩時間為l(T30min。
4.根據權利要求1所述的一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步驟2)中酸為硫酸或者硫酸和硝酸的混合物。
5.根據權利要求1所述的一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步驟2)中酸的加入量為酸性離子液體質量的f 10%。
6.根據權利要求1所述的一種用離子液體制備氧化石墨烯的方法，其特征在于，所述步驟2)中高錳酸鉀的加入量為酸性離子液體質量的2飛％。
7.一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，其特征在于，包括權利要求1飛任一項所述的步驟I)和步驟2)，還包括步驟3)還原石墨烯的制備:稱取上述氧化石墨烯加入水，超聲后加入堿性離子液體和水合肼，加熱反應，反應液冷后離心分離，水洗、離心，乙醇洗滌得到固體產物，固體產物在真空冷凍干燥，獲得還原石墨烯。
8.根據權利要求7所述的一種用離子液體制備高分散性石墨烯的方法，其特征在于，所述步驟3)中堿性離子液體為嗎啉離子液體、硫酸氫鹽離子液體或羧酸鹽離子液體。
【文檔編號】C01B31/04GK103708442SQ201310550208
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】李強, 季更生, 馮圓圓, 屠潔, 唐玉斌, 李天程, 李斌 申請人:江蘇科技大學