一種機械強度高的大尺寸氧化石墨烯片層的制備方法與流程

本發明屬于大尺寸氧化石墨烯片層的制備領域，特別涉及一機械強度高的大尺寸氧化石墨烯片層的制備方法。

背景技術：

氧化石墨烯的性能與其橫向尺寸密切相關，橫向尺寸越小，親水基團相對越多，水溶性越好，生物相容性越強，其生物毒性也越大；橫向尺寸越大，其表面的含氧官能團則相對較少，疏水性強，表面缺陷也較少，其機械強度從而得到增強。溫度是控制氧化石墨稀片層尺寸的重要條件，溫度越低，氧化石墨烯表面氧化程度越小，所含氧化官能團越少，則經過超聲后得到的氧化石墨稀片層尺寸越大。氧化石墨制備方法的研究歷史久遠，目前制備氧化石墨烯主要采用基于hummers法的各種改良方法，但這些方法所制備的氧化石墨烯片層尺寸小且分布于0.1～3μm范圍內，需要對這些氧化石墨稀片層進行尺寸分離。這些制備氧化石墨烯的改良方法在kmno4氧化反應及去離子水稀釋過程中會加熱至80℃乃至更高溫度，反應劇烈，具有一定的危險性，且制備周期長，操作復雜，產量低，所制備的氧化石墨烯機械強度低。目前采用多步離心法對氧化石墨烯進行尺寸控制從而對其進行分離，但這種分離方法的分離效果不好，大尺寸的氧化石墨烯片層中仍摻雜著小尺寸的氧化石墨烯片層，需采用鹽析法對其進一步分離。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種機械強度高的大尺寸氧化石墨烯片層的制備方法，該方法利用冰浴法，對kmno4氧化反應及去離子水稀釋過程中的溫度條件嚴格控制，經過預氧化、氧化制備氧化石墨烯，利用多步離心法和鹽析法對氧化石墨烯進行尺寸分離，最終所制備的氧化石墨稀片層尺寸大，機械強度高，且制備周期短，操作簡單，產量高。

本發明的一種機械強度高的大尺寸氧化石墨烯片層的制備方法，其步驟包括：

(1).向濃硫酸中加入將過硫酸鉀(k2s2o8)和五氧化二磷(p2o5)，超聲0.5h；然后，在78～82℃條件下將天然石墨加入上述分散后的溶液，在溫度保持78～82℃下用磁力攪拌器攪拌4.5h,冷卻至室溫后，用去離子水稀釋，并靜置過夜；去除上清液,用0.2mm過濾器對沉淀物進行抽濾，去除雜質后，將沉淀物置于真空干燥箱中干燥12h，干燥后研磨得到預氧化物；

(2).取出上述干燥后的預氧化物，將其研磨成粉末，然后加入到120ml的濃硫酸中攪拌，此過程溫度要控制在4～6℃；取15g高錳酸鉀（kmno4），將其研磨成粉末，然后緩慢加入至濃硫酸中，此過程在冰浴中進行，溫度控制在4～6℃；然后將溫度控制在33～37℃攪拌反應2h，再緩慢滴加250ml去離子水對上述溶液進行稀釋，稀釋過程中也要在冰浴下攪拌2h，稀釋溫度控制在14～18℃，再加入0.7l去離子水，并立刻加入20ml30%過氧化氫(h2o2)，混合物發生反應產生氣泡，顏色由褐色變成了亮黃色；

(3).將上述混合物溶液靜置過夜，去除上清液后，用1l去離子水進行稀釋，將稀釋后的溶液分裝至35個50ml離心管，放置于10000rpm離心速率的離心機中離心10min，去掉上清液；將離心后所得沉淀物a置入燒杯中，再用濃度為1：10鹽酸1l稀釋清洗，將清洗后的沉淀物a分裝至30個50ml離心管，放置于10000rpm離心速率的離心機中離心10min，去掉上清液；將離心后所得沉淀物b，用去離子水清洗，將清洗后沉淀物b分裝至30個50ml離心管，加入去離子水，然后放置于10000rpm離心速率的離心機中離心10min；將離心后所得沉淀物c，用去離子水稀釋后，超聲0.5h；

(4).向上述氧化石墨烯的分散溶液中加入濃度為5mol／l的nacl進行鹽析沉淀，nacl溶解至30%飽和度，溶液析出沉淀物；溶液靜置過夜，去除上清液，即制得大尺寸氧化石墨烯片層。

所述步驟(1)中的過硫酸鉀、五氧化二磷和天然石墨質量比為2.5:2.5:3。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

本發明的方法制備過程簡單，易于操作，可以制備出7～8μm的大尺寸氧化石墨烯片層，片層機械強度高，并且其制備周期短，具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1為本實施例制得的大尺寸氧化石墨稀片層鹽析前的原子力顯微鏡(afm)圖。

圖2為本實施例制得的大尺寸氧化石墨稀片層鹽析后的原子力顯微鏡(afm)圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例進一步闡述本發明。

實施例1

一種機械強度高的大尺寸氧化石墨烯片層的制備方法，其步驟如下：

(1).向12ml濃硫酸中加入2.5g過硫酸鉀(k2s2o8)和2.5g五氧化二磷(p2o5)，超聲0.5h；然后，在在78～82℃條件下將3g天然石墨加入上述分散后的溶液，在溫度保持80℃下用磁力攪拌器攪拌4.5h,冷卻至室溫后，用500ml去離子水稀釋，并靜置過夜；去除上清液,用0.2mm過濾器對沉淀物進行抽濾，去除雜質后，將沉淀物置于60℃真空干燥箱中干燥12h，干燥后研磨得到預氧化物；

(2).取出上述干燥后的預氧化物，將其研磨成粉末，然后加入到120ml的濃硫酸中攪拌，此過程溫度要控制在5℃；取15g高錳酸鉀（kmno4），將其研磨成粉末，然后緩慢加入至濃硫酸中，此過程在冰浴中進行，溫度控制在6℃；然后將溫度控制在35℃下攪拌反應2h，再緩慢滴加250ml去離子水對上述溶液進行稀釋，稀釋過程中也要在冰浴下攪拌2h，稀釋溫度控制在18℃，再加入0.7l去離子水，并立刻加入20ml30%過氧化氫(h2o2)，混合物發生反應，產生氣泡，顏色由褐色變成了亮黃色；

(3).將上述混合物溶液靜置過夜，去除上清液后，用1l去離子水進行稀釋，將稀釋后的溶液分裝至35個50ml離心管，放置于10000rpm離心速率的離心機中離心10min，去掉上清液；將離心后所得沉淀物a置入燒杯中，再用濃度為1：10的鹽酸1l稀釋清洗，將清洗后的沉淀物a分裝至30個50ml離心管，放置于10000rpm離心速率的離心機中離心10min，去掉上清液；將離心后所得沉淀物b，用去離子水清洗，將清洗后沉淀物b分裝至30個50ml離心管，加入去離子水，然后放置于10000rpm離心速率的離心機中離心10min；將離心后所得沉淀物c，用去離子水稀釋后，超聲0.5h；

(4).向上述氧化石墨烯的分散溶液中加入濃度為5mol／l的nacl進行鹽析沉淀，nacl溶解至30%飽和度，溶液析出沉淀物；溶液靜置過夜，去除上清液，即制得大尺寸氧化石墨烯片層。

采用原子力顯微鏡(afm)氧化石墨稀對本實施例制得的大尺寸氧化石墨烯片層表面鹽析前表面、鹽析后的表面進行掃描，如圖1、圖2所示，從圖1中可以看出，本發明大尺寸，氧化石墨稀片層鹽析前的表面形貌；圖1中顯示了本發明大尺寸氧化石墨稀片層表面以大于5um的氧化石墨烯片層為主，并含有少量小于5um的氧化石墨稀片層；從圖2中可以看出，本發明大尺寸氧化石墨稀片層鹽析后的表面形貌；圖2中顯示了本發明大尺寸氧化石墨稀片層表面以7～8μm的氧化石墨烯片層為主。

技術特征：

技術總結
本發明涉及一種機械強度高的大尺寸氧化石墨烯片層的制備方法，其步驟包括：首先選用加入過硫酸鉀和五氧化二磷、濃硫酸對石墨進行前處理，然后在冰浴條件下用高錳酸鉀對石墨進一步氧化，溫度控制在4～6℃，在經過一段時間的攪拌、稀釋、攪拌過程后立刻加入去離子水及過氧化氫進行反應，稀釋過程溫度控制在14～18℃，最后經過多步離心，向上述氧化石墨烯的分散溶液中加入濃度為5mol／L的NaCl進行氧化石墨烯片層的分離，NaCl溶解至30%飽和度，溶液析出沉淀物；溶液靜置過夜，去除上清液，即制得大尺寸氧化石墨烯片層。該方法制備過程安全簡單，可以制備出7～8μm的大尺寸氧化石墨烯片層且尺寸分布集中，片層機械強度高，制備周期短，具有良好的應用前景。

技術研發人員：錢哲;臧超;劉翔;錢趙秋;李德遠;陳亮;石國升;徐剛;方海平;吳明紅
受保護的技術使用者：上海大學
技術研發日：2017.06.20
技術公布日：2017.09.08