專利名稱：單層石墨烯的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備方法，尤其涉及一種綠色環(huán)保的單層石墨烯的制備方法。
背景技術：
石墨烯(Graphene)呈平面多環(huán)芳香烴原子晶體結構，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料；作為近十年來廣為人們矚目的新型材料，該材料具有一系列優(yōu)良的性能，如迄今所知石墨烯是最薄也是最堅硬的納米材料，其還具有較高的導熱系數(shù)和電子遷移率，同時也是一種透明、良好的導體；因而廣泛應用于單分子氣體偵測、石墨烯納米帶、場效應管及其集成電路、透明導電電極、導熱材料/熱界面材料、場發(fā)射源及其真空電子器件、超級電容器、石墨烯生物器件等領域；目前石墨烯的制備方法主要有機械剝離、外延生長、化學氣相沉積(CVD)和溶液相制備等四種方法。前三種方法雖然能獲得較高質量的石墨烯，但它們因制備效率低或因反應條件苛刻而不利于大規(guī)模的制備，并且容易造成污染。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本，綠色環(huán)保，能夠大規(guī)模合成的單層石墨烯的制備方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種單層石墨烯的制備方法，其特征是步驟如下取氧化石墨(GO)O. 05、. 3g分散在7(Tl50mL去離子水中，超聲剝離，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入容器中，加入4(Tl00 mL含有1.5 4 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌，待溶液混合反應結束后，用去離子水和乙醇對產物進行洗滌過濾，將所得產物置于5(T70°C下真空干燥得單層石墨烯。此步驟中，取氧化石墨O. 05、· 3g分散在7(Tl50mL去離子水中，超聲剝離2 5 h，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入25(T500 mL的容器中，加入4(Tl00mL含有1.5 4 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌，待溶液混合反應結束后，用去離子水和乙醇對產物進行洗滌過濾，將所得產物置于5(T70°C下真空干燥得單層石墨烯。此步驟中，取氧化石墨O. I g分散在100 mL去離子水中，超聲剝離2 h，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入250 mL三頸瓶中，加入50 mL含有2 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌2 h，待溶液混合反應結束后，用乙醇和去離子水對產物各進行2 3次洗滌過濾，將所得產物置于60 0C下真空干燥24 h得單層石墨烯。此步驟中，其中氧化石墨的制備方法如下取O. 5 g石墨粉和O. 25gNaN03加入到 50 mL的質量分數(shù)為98%的濃硫酸中得到混合物，濃硫酸需要提前在冰水浴中冷卻到O °C，在劇烈攪拌下，向混合物中加入2 g KMnO4,同時確保溫度在O 10°C，繼續(xù)攪拌2 h.，攪拌結束時將反應器轉移到30 °C水浴中反應I h，然后加入40 mL去離子水，同時水浴溫度升高到8(T95 °C，繼續(xù)攪拌I h，反應結束后，向反應體系中加入150 mL去離子水和10 mL雙氧水，靜置3 h，然后將混合物離心分離，用5%的鹽酸和去離子水各洗滌3次后，在真空中烘
干得氧化石墨。本發(fā)明的優(yōu)點效果在于由于本發(fā)明中是用石墨粉為原料通過氧化還原路徑制備單層石墨烯，所以成本低，綠色環(huán)保，能夠大規(guī)模合成，合成效果好。



圖I為不同樣品的XRD圖譜(a)石墨粉，(b)氧化石墨，(C)石墨??；
圖2為所得樣品的FE-SEM圖(a)氧化石墨和(b)石墨烯；
圖3為輕敲模式下樣品的AFM圖(left)和單層的高度圖(right) : (a)氧化石墨，(b)石墨烯；
圖4為氧化石墨和石墨烯的UV-vis吸收光譜.附圖為相應樣品(I mg/mL)的照片。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明
本發(fā)明如圖1、2、3、4所示，一種單層石墨烯的制備方法，其特征是步驟如下取氧化石墨O. 05、. 3g分散在7(Tl50mL去離子水中，超聲剝離，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入容器中，加入4(Tl00 mL含有1.5 4 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌,待溶液混合反應結束后,用去離子水和乙醇對產物進行洗滌過濾，將所得產物置于5(T70°C下真空干燥得單層石墨烯；在本實施例中，取氧化石墨O. 05、. 3g分散在7(Tl50mL去離子水中，超聲剝離2 5 h，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入250 500 mL的容器中，加入40 100 mL含有I. 5 4 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌，待溶液混合反應結束后，用去離子水和乙醇對產物進行洗滌過濾，將所得產物置于5(T70°C下真空干燥得單層石墨烯；在本實施例中，取氧化石墨O. I g分散在100 mL去離子水中，超聲剝離2 h，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入250 mL三頸瓶中，加入50 mL含有2 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌2 h，待溶液混合反應結束后，用乙醇和去離子水對產物各進行2 3次洗滌過濾，將所得產物置于60 0C下真空干燥24 h得單層石墨烯；在本實施例中，其中氧化石墨的制備方法如下取O. 5 g石墨粉和O. 25gNaN03加入到50 mL的質量分數(shù)為98%的濃硫酸中得到混合物，濃硫酸需要提前在冰水浴中冷卻到O °C，在劇烈攪拌下，向混合物中加入2 g KMnO4,同時確保溫度在O 10°C，繼續(xù)攪拌2h.，攪拌結束時將反應器轉移到30 °C水浴中反應I h，然后加入40 mL去離子水，同時水浴溫度升高到8(T95 0C,繼續(xù)攪拌I h，反應結束后，向反應體系中加入150 mL去離子水和10mL雙氧水，靜置3 h，然后將混合物離心分離，用5%的鹽酸和去離子水各洗滌3次后，在真空中烘干得氧化石墨。樣品表征
采用日本Rigaku MiniFlex型X射線粉末衍射儀(XRD，Cu-Ka, λ =0. 15418 nm)對樣品進行物相分析；采用JEOL公司的JSM-6700F型場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)和VeecoInstruments公司的Nanoscope IIIa表征樣品的形貌和微觀結構；采用PerkinElmer公司的Lambda 35對樣品的光學性質進行測試(范圍200-800 nm)。圖I為所得GO和GNS樣品的XRD圖譜。圖I (a)為石墨烯粉原料的XRD圖譜，該圖譜以石墨的較強(002)衍射峰為特征，衍射峰2 Θ位于26. 65°，對應的晶面間距d為O. 33nm。石墨粉經過氧化，超聲剝離后，在11. 34°附近出現(xiàn)了較強的衍射峰，該衍射峰對應于GO的(001)特征衍射峰，晶面間距為O. 78 nm，如圖1(b)所示。同時，石墨的(002)衍射峰消失，這表明石墨完全氧化成為了 G0，并且在石墨層間引入了含氧的基團，是石墨的層間距拉大。GO經過鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液還原后，大部分的含氧基團被除去。如圖1(c)所示，位于11. 34° GO的衍射峰消失，在24.2°附近出現(xiàn)了較寬的衍射峰，該衍射峰對應于GNS的(002)特征衍射峰.GNS對于的晶面間距從GO O. 78 11111到0.37 nm,仍然大于石墨的晶面間距(0.33 nm)。這主要是由于石墨烯片層之間堆積作用引起的團聚造成的。 圖2 (a)和圖2 (b)分別為所得GO和GNS樣品的FE-SEM圖。從圖(a)中可以看出GO為片狀結構，由于其與制樣襯底上的碳膜類似，故片狀結構不是很明顯.GO經過還原后得到GNS，樣品的形貌發(fā)生了很大的變化片狀結構發(fā)生了卷曲，團聚，形貌猶如起皺的絲綢面紗。GNS的團聚主要是由于樣品表面含氧基團(如，環(huán)氧，羥基，羧基，羰基)的范德華(van der Waals)相互作用。圖3給出了所得樣品GO和GNS在水中分散后沉積在新解離云母上面的AFM圖。從圖(a)中可以看出，GO的厚度為I. 3 nm，這對應于單層的厚度；從圖(b)中可以看出，GNS的厚度為I. 2 nm，大于與理論預測石墨的單層厚度(0.78 nm)，這主要是由于樣品表面的含氧基團引起的。圖4給出了氧化石墨和石墨烯的UV-vis吸收光譜。從吸收光譜上可以看出最大吸收峰在230 nm附近，這對應于氧化石墨中C-C的π — ^的特征吸收峰。對于石墨烯，最大吸收峰發(fā)生明顯的紅移，出現(xiàn)在265 nm附近。當氧化石墨被還原時,最大吸收峰發(fā)生紅移已有文獻報道，并被用來檢測氧化石墨還原程度的重要工具。附圖為GO和GNS在水中超聲分散的實物照片，從照片上可以看出，在沒有任何穩(wěn)定劑的情況下，所得樣品具有很好的分散性。
權利要求
1.一種單層石墨烯的制備方法，其特征是步驟如下取氧化石墨O. 05、. 3g分散在7(Tl50mL去離子水中，超聲剝離，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入容器中，加入4(Tl00 mL含有I. 5 4 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌，待溶液混合反應結束后，用去離子水和乙醇對產物進行洗滌過濾，將所得產物置于5(T70°C下真空干燥得單層石墨烯。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種單層石墨烯的制備方法，其特征是步驟如下取氧化石墨O. 05、. 3g分散在7(Tl50mL去離子水中，超聲剝離2 5 h，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入250 500 mL的容器中，加入40 100 mL含有I. 5 4 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌，待溶液混合反應結束后，用去離子水和乙醇對產物進行洗滌過濾，將所得產物置于5(T70°C下真空干燥得單層石墨烯。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種單層石墨烯的制備方法，其特征是步驟如下取氧化石墨O. I g分散在100 mL去離子水中，超聲剝離2 h，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入250 mL三頸瓶中，加入50 mL含有2 g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌2 h，待溶液混合反應結束后，用乙醇和去離子水對產物各進行2 3次洗滌過濾，將所得產物置于60 0C下真空干燥24 h得單層石墨烯。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種單層石墨烯的制備方法，其特征是步驟如下其中氧化石墨的制備方法如下取O. 5 g石墨粉和O. 25gNaN03加入到50 mL的質量分數(shù)為98%的濃硫酸中得到混合物，濃硫酸需要提前在冰水浴中冷卻到O °C，在劇烈攪拌下，向混合物中加入2 g KMnO4,同時確保溫度在O 10°C，繼續(xù)攪拌2 h.，攪拌結束時將反應器轉移到30 0C水浴中反應I h，然后加入40 mL去離子水，同時水浴溫度升高到8(T95 °C，繼續(xù)攪拌I h，反應結束后，向反應體系中加入150 mL去離子水和10 mL雙氧水，靜置3 h，然后將混合物離心分離，用5%的鹽酸和去離子水各洗滌3次后，在真空中烘干得氧化石墨。
全文摘要
一種低成本，綠色環(huán)保，能夠大規(guī)模合成的單層石墨烯的制備方法,步驟如下取氧化石墨(GO)0.05~0.3g分散在70~150mL去離子水中，超聲剝離，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體，將獲得的溶液放入容器中，加入40~100mL含有1.5~4g石榴皮中提取的鞣花酸的飽和NaOH堿性溶液，并于室溫下持續(xù)攪拌，待溶液混合反應結束后，用去離子水和乙醇對產物進行洗滌過濾，將所得產物置于50~70oC下真空干燥得單層石墨烯。
文檔編號C01B31/04GK102659097SQ201210136148
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權日2012年5月4日
發(fā)明者劉奕, 劉 文 申請人:劉奕