一种石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：利用石墨粉制备氧化石墨；将所述氧化石墨与还原性气体接触反应，得到一步还原氧化石墨烯；将所述一步还原氧化石墨烯与维生素C反应，并对反应后产物进行离心分离，取沉淀，干燥，得到二步还原氧化石墨烯。通过上述制备方法可实现最终制备得到的石墨烯中含氧基团少，层数少、石墨烯的电子特性优异，在纳米电子器件、复合材料、太阳能电池、超级电容、储氢材料等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯及其制备方法
本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种石墨烯及其制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，因其独特的形貌和结构而具有优异的电学、热学和力学等性质，在纳米电子器件、复合材料、太阳能电池、超级电容、储氢材料等领域具有广泛的应用前景。目前，石墨烯常见的制备方法有机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法(CVD)。机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是得到的片层小，生产效率低。化学氧化还原法是通过将石墨氧化，增大石墨层之间的间距，再通过物理方法将其分离，最后通过化学法还原，得到石墨烯的方法。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。CVD制得石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。其中，采用化学氧化还原法制得的石墨烯产品质量较低，在制备过程中会诱发各种缺陷和含氧官能团，这些缺陷和含氧官能团(如羟基和环氧基)会导致石墨烯的电子特性退化；同时，还原过程中还可能发生聚合、离子掺杂等副反应。中国专利文献CN101602504A公开了一种基于抗坏血酸的石墨烯制备方法。该制备方法公开了如下步骤：第一步，在室温下将石墨和硝酸钠进行冷却处理后，加入浓硫酸并搅拌，然后在1h内将高锰酸钾分批加入浓硫酸中并保持搅拌，最后用水浴加热至35±3℃，反应2h后加入去离子水，得到褐色石墨悬浮液；第二步，将得到的褐色石墨悬浮液继续反应15分钟，然后向石墨悬浮液中加入双氧水和去离子水，得到亮黄色石墨稀释液；第三步，将亮黄色石墨稀释液过滤后得到黄褐色的滤饼，将滤饼进行酸洗处理后分散于水中，经离心处理将得到的氧化石墨凝胶，将氧化石墨凝胶干燥处理后得到氧化石墨固体；第四步，将氧化石墨分散于去离子水中，通过超声脱落处理1h将氧化石墨烯脱落，制成氧化石墨烯溶液；第五步，将氧化石墨烯溶液与抗坏血酸水溶液混合后静置，得到石墨烯溶液。通过上述制备方法，实现了在不添加任何分散剂的条件下，利用氢键作用制备出可稳定分散的单层石墨烯水溶液，避免了分散剂对石墨烯后续的应用产生不利影响。但是，上述石墨烯制备方法存在如下缺陷：1)利用抗坏血酸将氧化石墨烯还原为石墨烯，因抗坏血酸还原能力有限，会导致制得的石墨烯中存在大量含氧基团，影响石墨烯的电子特性，如导电性等。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的是现有技术中通过氧化还原法制得的石墨烯存在大量含氧基团，影响石墨烯的电子特性的技术问题，进而提供一种能将制得的石墨烯中含氧基团充分还原，提高石墨烯的电子特性的制备方法及该制备方法制得的石墨烯。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术所提供的石墨烯的制备方法，包括如下步骤：利用石墨粉制备氧化石墨；将所述氧化石墨与还原性气体接触反应，得到一步还原氧化石墨烯；将所述还原氧化石墨烯与维生素C反应，并对反应后产物进行离心分离，取沉淀，干燥，得到二步还原氧化石墨烯，即石墨烯。所述接触反应步骤中，所述氧化石墨质量为0.5g～1g，所述还原性气体的流速为100sccm～300sccm；所述接触反应步骤的温度为200℃～600℃。所述一步还原氧化石墨烯与所述维生素C的质量比为(0.5～1):(2～5)。所述反应的条件如下：反应温度为20℃～30℃；超声功率为800W～1500W。进一步地，所述反应的条件如下：反应温度为20℃～30℃；超声功率为800W～1500W，时间为2h-3h。所述离心分离步骤的条件如下：转速为3000r/min～6000r/min，时间为5min～20min；所述干燥步骤的温度为30℃～60℃，时间为24h～72h。在进行所述反应之前，还包括将所述一步还原氧化石墨烯添加到分散剂中，并于800W～1500W下超声分散100min～300min的步骤；在所述一步还原氧化石墨烯与所述维生素C混合之后，所述反应之前，还包括对所述一步还原氧化石墨烯与所述维生素C的混合物于800W～1500W下超声200min～350min的步骤。所述氧化石墨的制备方法，包括如下步骤：在不高于5℃的冰浴条件下，将石墨粉、NaNO3和浓硫酸进行混合搅拌，得到第一混合体系；将高锰酸钾加入所述第一混合体系并混合均匀搅拌；然后在不高于5℃的冰浴条件下，进行第一次搅拌反应至溶液颜色呈墨绿色，并置于第一水浴中搅拌至溶液颜色呈棕色，得到初产物；将去离子水加入所述初产物中并搅拌至整个反应体系的温度升至90℃；再将所述整个反应体系置于第二次水浴中搅拌，得到中间产物；将去离子水加入所述中间产物中，再加入双氧水进行第二搅拌反应至溶液颜色呈亮黄色，得到氧化石墨溶液；再经离心分离、取沉淀、干燥，得到氧化石墨。进一步地，所述石墨粉、所述NaNO3和所述浓硫酸的比例为(0.5-1.5)g：(0.5-1.5)g：(20-25)ml；所述第一次搅拌反应步骤中，所述石墨粉和所述高锰酸钾的质量比为(0.5-1.5)：(4-6)；所述初产物和所述去离子水的比例为(0.5g-1.5g)：(35mL-40mL)；所述第二次搅拌反应步骤中，所述中间产物、所述去离子水和所述双氧水的比例为(0.5g-1.5g)：(85mL-95mL)：(3mL-5mL)。所述第一次水浴的温度为30℃-40℃，所述第二次水浴温度是85℃-95℃；所述离心分离步骤，包括如下步骤：对所述氧化石墨溶液进行酸洗并离心得一次沉淀物，再对所述一次沉淀物进行水洗并离心得二次沉淀物，重复所述离心分离步骤，直至溶液pH为中性。所述干燥的温度为40℃-60℃，时间为70h-75h。进一步地，所述第一次搅拌反应的温度为30℃-40℃，时间为3.5h-4.5h。进一步地，在所述第一水浴中的搅拌时间为2h-3h。进一步地，所述还原性气体为氢气、或者氢气和氩气的混合气体。进一步地，所述石墨目数为200～350目。进一步地，所述浓硫酸的体积分数为95％～98％。本专利技术还提供了由上述制备方法制得的石墨烯。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术实施例所提供的石墨烯的制备方法，通过将石墨粉制备成氧化石墨，使石墨粉充分氧化，在石墨片层间带上羰基、羟基等基团，使石墨层间距变大成为氧化石墨。而且利于其后续与还原性气体充分接触反应，使氧化石墨烯中的含氧基团充分还原。通过将所述氧化石墨与还原性气体接触反应，得到还原氧化石墨烯。在一定温度下，还原性气体能进入氧化石墨层间，能有效与氧化石墨接触反应，还原含氧基团，防止含氧基团影响石墨烯的电子特性等。通过将还原氧化石墨烯与维生素C反应，使接触反应和超声反应协同作用，通过接触反应使氧化石墨烯中的部分含氧基团被还原，使超声反应过程中维生素C能更充分地与剩余的含氧基团接触反应，增加含氧基团的还原程度。而且超声也进一步地增加还原氧化石墨烯与维生素C的接触，增强还原活性，使石墨烯中含氧基团去除更彻底。2)本专利技术实施例所提供的石墨烯的制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：利用石墨粉制备氧化石墨；将所述氧化石墨与还原性气体接触反应，得到一步还原氧化石墨烯；将所述一步还原氧化石墨烯与维生素C反应，并对反应后产物进行离心分离，取沉淀，干燥，得到二步还原氧化石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：利用石墨粉制备氧化石墨；将所述氧化石墨与还原性气体接触反应，得到一步还原氧化石墨烯；将所述一步还原氧化石墨烯与维生素C反应，并对反应后产物进行离心分离，取沉淀，干燥，得到二步还原氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述接触反应步骤中，所述氧化石墨质量为0.5g～1g，所述还原性气体的流速为100sccm～300sccm；所述接触反应步骤的温度为200℃～600℃。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述一步还原氧化石墨烯与所述维生素C的质量比为(0.5～1):(2～5)。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述反应的条件如下：反应温度为20℃～30℃；超声功率为800W～1500W。5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述离心分离步骤的条件如下：转速为3000r/min～6000r/min，单次离心时间为5min～20min；所述干燥步骤的温度为30℃～60℃，时间为24h～72h。6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，在进行所述反应之前，还包括将所述一步还原氧化石墨烯添加到分散剂中，并于800W～1500W下超声分散100min～300min的步骤；在所述一步还原氧化石墨烯与所述维生素C混合之后，所述反应之前，还包括对所述一步还原氧化石墨烯与所述维生素C的混合物于800W～1500W下超声200min～350min的步骤。7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王三胜，
申请(专利权)人：北京鼎臣超导科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11