一種石墨烯及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種石墨烯及其制備方法。所述制備方法包括如下步驟：利用石墨粉制備氧化石墨；將所述氧化石墨與還原性氣體接觸反應，得到一步還原氧化石墨烯；將所述一步還原氧化石墨烯與維生素C反應，并對反應后產物進行離心分離，取沉淀，干燥，得到二步還原氧化石墨烯。通過上述制備方法可實現最終制備得到的石墨烯中含氧基團少，層數少、石墨烯的電子特性優異，在納米電子器件、復合材料、太陽能電池、超級電容、儲氫材料等領域具有廣泛的應用前景。

【技術實現步驟摘要】
一種石墨烯及其制備方法
本專利技術屬于納米材料制備
，具體涉及一種石墨烯及其制備方法。
技術介紹
石墨烯(Graphene)是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，因其獨特的形貌和結構而具有優異的電學、熱學和力學等性質，在納米電子器件、復合材料、太陽能電池、超級電容、儲氫材料等領域具有廣泛的應用前景。目前，石墨烯常見的制備方法有機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法和化學氣相沉積法(CVD)。機械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結構，但是得到的片層小，生產效率低。化學氧化還原法是通過將石墨氧化，增大石墨層之間的間距，再通過物理方法將其分離，最后通過化學法還原，得到石墨烯的方法。這種方法操作簡單，產量高，但是產品質量較低。SiC外延法是通過在超高真空的高溫環境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質量的石墨烯，但是這種方法對設備要求較高。CVD制得石墨烯具有面積大和質量高的特點，但現階段成本較高，工藝條件還需進一步完善。其中，采用化學氧化還原法制得的石墨烯產品質量較低，在制備過程中會誘發各種缺陷和含氧官能團，這些缺陷和含氧官能團(如羥基和環氧基)會導致石墨烯的電子特性退化；同時，還原過程中還可能發生聚合、離子摻雜等副反應。中國專利文獻CN101602504A公開了一種基于抗壞血酸的石墨烯制備方法。該制備方法公開了如下步驟：第一步，在室溫下將石墨和硝酸鈉進行冷卻處理后，加入濃硫酸并攪拌，然后在1h內將高錳酸鉀分批加入濃硫酸中并保持攪拌，最后用水浴加熱至35±3℃，反應2h后加入去離子水，得到褐色石墨懸浮液；第二步，將得到的褐色石墨懸浮液繼續反應15分鐘，然后向石墨懸浮液中加入雙氧水和去離子水，得到亮黃色石墨稀釋液；第三步，將亮黃色石墨稀釋液過濾后得到黃褐色的濾餅，將濾餅進行酸洗處理后分散于水中，經離心處理將得到的氧化石墨凝膠，將氧化石墨凝膠干燥處理后得到氧化石墨固體；第四步，將氧化石墨分散于去離子水中，通過超聲脫落處理1h將氧化石墨烯脫落，制成氧化石墨烯溶液；第五步，將氧化石墨烯溶液與抗壞血酸水溶液混合后靜置，得到石墨烯溶液。通過上述制備方法，實現了在不添加任何分散劑的條件下，利用氫鍵作用制備出可穩定分散的單層石墨烯水溶液，避免了分散劑對石墨烯后續的應用產生不利影響。但是，上述石墨烯制備方法存在如下缺陷：1)利用抗壞血酸將氧化石墨烯還原為石墨烯，因抗壞血酸還原能力有限，會導致制得的石墨烯中存在大量含氧基團，影響石墨烯的電子特性，如導電性等。
技術實現思路
為此，本專利技術所要解決的是現有技術中通過氧化還原法制得的石墨烯存在大量含氧基團，影響石墨烯的電子特性的技術問題，進而提供一種能將制得的石墨烯中含氧基團充分還原，提高石墨烯的電子特性的制備方法及該制備方法制得的石墨烯。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案如下：本專利技術所提供的石墨烯的制備方法，包括如下步驟：利用石墨粉制備氧化石墨；將所述氧化石墨與還原性氣體接觸反應，得到一步還原氧化石墨烯；將所述還原氧化石墨烯與維生素C反應，并對反應后產物進行離心分離，取沉淀，干燥，得到二步還原氧化石墨烯，即石墨烯。所述接觸反應步驟中，所述氧化石墨質量為0.5g～1g，所述還原性氣體的流速為100sccm～300sccm；所述接觸反應步驟的溫度為200℃～600℃。所述一步還原氧化石墨烯與所述維生素C的質量比為(0.5～1):(2～5)。所述反應的條件如下：反應溫度為20℃～30℃；超聲功率為800W～1500W。進一步地，所述反應的條件如下：反應溫度為20℃～30℃；超聲功率為800W～1500W，時間為2h-3h。所述離心分離步驟的條件如下：轉速為3000r/min～6000r/min，時間為5min～20min；所述干燥步驟的溫度為30℃～60℃，時間為24h～72h。在進行所述反應之前，還包括將所述一步還原氧化石墨烯添加到分散劑中，并于800W～1500W下超聲分散100min～300min的步驟；在所述一步還原氧化石墨烯與所述維生素C混合之后，所述反應之前，還包括對所述一步還原氧化石墨烯與所述維生素C的混合物于800W～1500W下超聲200min～350min的步驟。所述氧化石墨的制備方法，包括如下步驟：在不高于5℃的冰浴條件下，將石墨粉、NaNO3和濃硫酸進行混合攪拌，得到第一混合體系；將高錳酸鉀加入所述第一混合體系并混合均勻攪拌；然后在不高于5℃的冰浴條件下，進行第一次攪拌反應至溶液顏色呈墨綠色，并置于第一水浴中攪拌至溶液顏色呈棕色，得到初產物；將去離子水加入所述初產物中并攪拌至整個反應體系的溫度升至90℃；再將所述整個反應體系置于第二次水浴中攪拌，得到中間產物；將去離子水加入所述中間產物中，再加入雙氧水進行第二攪拌反應至溶液顏色呈亮黃色，得到氧化石墨溶液；再經離心分離、取沉淀、干燥，得到氧化石墨。進一步地，所述石墨粉、所述NaNO3和所述濃硫酸的比例為(0.5-1.5)g：(0.5-1.5)g：(20-25)ml；所述第一次攪拌反應步驟中，所述石墨粉和所述高錳酸鉀的質量比為(0.5-1.5)：(4-6)；所述初產物和所述去離子水的比例為(0.5g-1.5g)：(35mL-40mL)；所述第二次攪拌反應步驟中，所述中間產物、所述去離子水和所述雙氧水的比例為(0.5g-1.5g)：(85mL-95mL)：(3mL-5mL)。所述第一次水浴的溫度為30℃-40℃，所述第二次水浴溫度是85℃-95℃；所述離心分離步驟，包括如下步驟：對所述氧化石墨溶液進行酸洗并離心得一次沉淀物，再對所述一次沉淀物進行水洗并離心得二次沉淀物，重復所述離心分離步驟，直至溶液pH為中性。所述干燥的溫度為40℃-60℃，時間為70h-75h。進一步地，所述第一次攪拌反應的溫度為30℃-40℃，時間為3.5h-4.5h。進一步地，在所述第一水浴中的攪拌時間為2h-3h。進一步地，所述還原性氣體為氫氣、或者氫氣和氬氣的混合氣體。進一步地，所述石墨目數為200～350目。進一步地，所述濃硫酸的體積分數為95％～98％。本專利技術還提供了由上述制備方法制得的石墨烯。與現有技術相比，本專利技術具有如下有益效果：1)本專利技術實施例所提供的石墨烯的制備方法，通過將石墨粉制備成氧化石墨，使石墨粉充分氧化，在石墨片層間帶上羰基、羥基等基團，使石墨層間距變大成為氧化石墨。而且利于其后續與還原性氣體充分接觸反應，使氧化石墨烯中的含氧基團充分還原。通過將所述氧化石墨與還原性氣體接觸反應，得到還原氧化石墨烯。在一定溫度下，還原性氣體能進入氧化石墨層間，能有效與氧化石墨接觸反應，還原含氧基團，防止含氧基團影響石墨烯的電子特性等。通過將還原氧化石墨烯與維生素C反應，使接觸反應和超聲反應協同作用，通過接觸反應使氧化石墨烯中的部分含氧基團被還原，使超聲反應過程中維生素C能更充分地與剩余的含氧基團接觸反應，增加含氧基團的還原程度。而且超聲也進一步地增加還原氧化石墨烯與維生素C的接觸，增強還原活性，使石墨烯中含氧基團去除更徹底。2)本專利技術實施例所提供的石墨烯的制備本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：利用石墨粉制備氧化石墨；將所述氧化石墨與還原性氣體接觸反應，得到一步還原氧化石墨烯；將所述一步還原氧化石墨烯與維生素C反應，并對反應后產物進行離心分離，取沉淀，干燥，得到二步還原氧化石墨烯。

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：利用石墨粉制備氧化石墨；將所述氧化石墨與還原性氣體接觸反應，得到一步還原氧化石墨烯；將所述一步還原氧化石墨烯與維生素C反應，并對反應后產物進行離心分離，取沉淀，干燥，得到二步還原氧化石墨烯。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述接觸反應步驟中，所述氧化石墨質量為0.5g～1g，所述還原性氣體的流速為100sccm～300sccm；所述接觸反應步驟的溫度為200℃～600℃。3.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述一步還原氧化石墨烯與所述維生素C的質量比為(0.5～1):(2～5)。4.根據權利要求1-3中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述反應的條件如下：反應溫度為20℃～30℃；超聲功率為800W～1500W。5.根據權利要求1-4中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述離心分離步驟的條件如下：轉速為3000r/min～6000r/min，單次離心時間為5min～20min；所述干燥步驟的溫度為30℃～60℃，時間為24h～72h。6.根據權利要求1-5中任一項所述的制備方法，其特征在于，在進行所述反應之前，還包括將所述一步還原氧化石墨烯添加到分散劑中，并于800W～1500W下超聲分散100min～300min的步驟；在所述一步還原氧化石墨烯與所述維生素C混合之后，所述反應之前，還包括對所述一步還原氧化石墨烯與所述維生素C的混合物于800W～1500W下超聲200min～350min的步驟。7.根據權利要求1-6中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述氧化石墨的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王三勝，
申請(專利權)人：北京鼎臣超導科技有限公司，
類型：發明
國別省市：北京,11