高品质石墨烯和通过氧化石墨烯的微波还原生产其的方法技术

披露了一种通过以下方式来生产经微波还原的氧化石墨烯(MW‑rGO)的方法：提供氧化石墨烯；将所述氧化石墨烯还原以获得经还原的氧化石墨烯(rGO)，其中氧浓度的降低足以允许所述rGO吸收微波；以及微波处理所述经还原的氧化石墨烯，直到产生含有5原子％或更低的氧浓度的经微波还原的氧化石墨烯(MW‑rGO)。所述方法是生产高品质石墨烯的快速且有效的方法。

Microwave Reduction of High Quality Graphene and Peroxide Graphene

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高品质石墨烯和通过氧化石墨烯的微波还原生产其的方法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年8月31日提交的美国临时专利申请号62/382,028的优先权权益，所述申请的披露内容通过引用以其全文结合在此。
本专利技术总体上涉及石墨烯生产的领域，更具体地，涉及生产高品质石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯是紧密堆积进二维(2D)蜂巢晶格中的碳原子的平面单层，并且是所有其他维度石墨材料的基本结构单元。它可以被包成0D富勒烯，卷成1D纳米管或堆叠成3D石墨。由于其优异的电子、热和机械特性，以及其大表面积和低质量，石墨烯具有用于广泛应用的巨大潜力。除了超高速电子器件，大多数提出的应用都需要大量高品质、低成本的石墨烯(优选可溶液处理的)用于实际的工业规模应用。实例包括储能和储氢装置、廉价的柔性电子装置、和机械增强的导电涂层和复合材料(包括用于航空航天应用中的电磁干扰(EMI)屏蔽的膜)。单层石墨烯的低产量、亚微米横向尺寸和差的电子特性仍然是溶液剥离石墨烯薄片的主要挑战。石墨的氧化及其随后剥离成具有大横向尺寸的单层氧化石墨烯具有大约100％的剥离产率，但是尽管进行了大量的努力，仍然不能完全除去氧官能团，使得氧化石墨烯的经还原形式(rGO)仍然为具有通常远低于化学气相沉积(CVD)的石墨烯的特性的高度无序材料。尽管rGO已经被广泛证明甚至在其无序形式下是潜在有用的催化和储能材料，但将氧化石墨烯有效还原成高品质石墨烯应产生显著的性能提高。因此，需要一种将氧化石墨烯还原成高品质石墨烯的方法。
技术实现思路
在一方面中，所披露的专利技术涉及一种用于通过以下方式生产经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)的方法:(a)提供氧化石墨烯；(b)将所述氧化石墨烯还原以获得经还原的氧化石墨烯(rGO)，其中氧浓度的降低足以允许所述rGO吸收微波；以及(c)微波处理所述经还原的氧化石墨烯，直到产生含有约5原子％或更低的氧浓度的经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)。可以通过X射线光电子能谱法测量氧浓度。在一些实施例中，步骤(b)中rGO的氧浓度的降低为约0.1％或更多。在其他实施例中，步骤(b)中rGO的氧浓度的降低为约0.5％或更多。在所述方法的一些实施例中，氧化石墨烯通过赫默斯法(Hummers’method)提供。在其他实施例中，所述氧化石墨烯通过修改的赫默斯法提供。在所述方法的一些实施例中，还原氧化石墨烯的步骤是通过在惰性气氛中在约20℃或更高的温度将所述氧化石墨烯退火持续1秒或更多秒。在其他实施例中，氧化石墨烯的还原是通过在惰性气氛中，在约20℃至约1500℃的范围内、优选在约200℃至约400℃的范围内、更优选在约300℃的温度，将所述氧化石墨烯退火持续1秒至约12小时。在所述方法的一些实施例中，氧化石墨烯的还原是通过使用选自肼、抗坏血酸、氢卤酸、硼氢化钠、碘化氢、硫酸或其组合的化学试剂。在所述方法的一些实施例中，在步骤(b)中如此获得的rGO是干rGO粉末。在所述方法的其他实施例中，在步骤(b)中如此获得的rGO是湿rGO粉末，优选所述湿rGO粉末未悬浮在液体中。在还其他实施例中，湿rGO粉末含有残留的用于还原氧化石墨烯的化学试剂。在所述方法的一些实施例中，在步骤(b)中如此获得的rGO是呈单层膜的形式。在所述方法的其他实施例中，在步骤b中如此获得的rGO是呈两层或更多层膜的形式。在一些情况下，膜厚度可以是一微米或更多微米。在另外的情况下，膜厚度可以是一毫米或更多毫米。在所述方法的一些实施例中，在步骤(b)中如此获得的rGO是呈3D结构的形式。在所述方法的还一些实施例中，将在步骤(b)中获得的rGO结合到绝缘基质中。所述绝缘基质可以是聚合物基质。所述绝缘基质也可以是陶瓷基质。在另一个方面中，本专利技术涉及一种用于通过以下方式生产MW-rGO的方法：(a)提供经还原的氧化石墨烯(rGO)；以及(b)微波处理所述经还原的氧化石墨烯，直到产生含有约5原子％或更低的氧浓度的经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)。在一些实施例中，rGO已经被还原到具有低氧浓度，使得rGO能够吸收微波。在所述方法的一些实施例中，微波处理所述经还原的氧化石墨烯的步骤是通过用电磁辐射以约300MHz至约300GHz的微波频率范围、优选约2.45GHz照射所述rGO持续一秒或更多秒来实现的。在所述方法的一些实施例中，微波处理所述rGO的步骤是用微波频率加热装置进行的。所述微波频率加热装置可以是具有约100瓦至约100千瓦的功率的微波炉。在一些情况下，所述炉可以在1000瓦运行持续1秒或更多秒脉冲。微波频率加热装置也可以是波导管。微波频率加热装置可以进一步是共振腔。在所述方法的一些实施例中，微波处理所述rGO的步骤是在惰性气体气氛下进行的。所述惰性气体可以是氩气或氮气。在所述方法的其他实施例中，微波处理所述rGO的步骤是在空气下进行的。在另一个方面中，本专利技术涉及通过以上方法生产的高品质石墨烯，即经微波还原的GO(MW-rGO)。在另一个方面中，本专利技术涉及一种用于通过以下方式剥离已被氧化的插层石墨的方法：提供已被氧化的插层石墨；以及微波处理所述已被氧化的插层石墨以便从所述已被氧化的插层石墨中部分除去氧，以便获得经剥离的氧化石墨烯。插层石墨也称为膨胀石墨。在一些实施例中，经剥离的氧化石墨烯同时被部分还原。这种部分还原的氧化石墨烯可以被进一步微波处理以生产高品质的经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)。在一些情况下，该MW-rGO含有约5原子％或更低的氧浓度。在一些其他实施例中，本专利技术涉及一种用于通过以下方式由已被氧化的插层石墨生产高品质的经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)的方法：(a)提供已被氧化的插层石墨；(b)微波处理所述已被氧化的插层石墨以便从所述插层石墨中部分除去氧，以便获得经剥离的氧化石墨烯；以及(c)微波处理所述经剥离的氧化石墨烯以便获得MW-rGO，其中氧浓度为约5原子％或更低。在一些实施例中，微波处理已被氧化的插层石墨的步骤是通过用电磁辐射以约300MHz至约300GHz的微波频率范围、优选约2.45GHz照射所述已被氧化的插层石墨持续一秒或更多秒来实现的。在一些实施例中，微波处理已被氧化的插层石墨的步骤是用微波频率加热装置进行的。所述微波频率加热装置可以是具有100瓦至100千瓦的功率的微波炉。在一些情况下，所述炉可以在1000瓦运行持续1秒或更多秒脉冲。微波频率加热装置也可以是波导管。微波频率加热装置可以进一步是共振腔。在所述方法的一些实施例中，微波处理所述已被氧化的插层石墨的步骤是在惰性气体气氛下进行的。所述惰性气体可以是氩气或氮气。在所述方法的其他实施例中，微波处理已被氧化的插层石墨的步骤是在空气下进行的。在又另一个方面，本专利技术涉及根据本文披露的用于还原氧化石墨烯的方法生产的经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)。在一些实施例中，所述经微波还原的氧化石墨烯在拉曼光谱中展现出尖锐的G峰和2D峰以及几乎不存在的或弱的D峰。在其他实施例中，所述经微波还原的氧化石墨烯在通过X射线光电子能谱法或高分辨率透射显微术的分析中展现出高度有序的结构。在还又另一个方面中，本专利技术涉及根据本文披露用于剥离已被氧化的插层石墨的方法生产的经剥离的石墨。附图说明图1(A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生产经微波还原的氧化石墨烯(MW‑rGO)的方法，所述方法包括：(a)提供氧化石墨烯；(b)将所述氧化石墨烯还原以获得经还原的氧化石墨烯(rGO)，其中氧浓度的降低足以允许所述rGO吸收微波；以及(c)微波处理所述经还原的氧化石墨烯，直到产生含有约5原子％或更低的氧浓度的经微波还原的氧化石墨烯(MW‑rGO)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.31 US 62/382,0281.一种用于生产经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)的方法，所述方法包括：(a)提供氧化石墨烯；(b)将所述氧化石墨烯还原以获得经还原的氧化石墨烯(rGO)，其中氧浓度的降低足以允许所述rGO吸收微波；以及(c)微波处理所述经还原的氧化石墨烯，直到产生含有约5原子％或更低的氧浓度的经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)。2.如权利要求1所述的方法，步骤(b)中氧浓度的降低为约0.1％或更多。3.如权利要求1所述的方法，步骤(b)中氧浓度的降低为约0.5％或更多。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述氧化石墨烯通过赫默斯法提供。5.如权利要求1所述的方法，其中，所述氧化石墨烯通过修改的赫默斯法提供。6.如权利要求1所述的方法，其中，还原所述氧化石墨烯的步骤是通过在惰性气氛中在约20℃或更高的温度将所述氧化石墨烯退火持续1秒或更多秒。7.如权利要求6所述的方法，其中，还原所述氧化石墨烯的步骤是通过在惰性气氛中在约20℃至约1500℃范围内的温度将所述氧化石墨烯退火持续1秒至约12小时。8.如权利要求6所述的方法，其中，所述温度是在约200℃至约500℃的范围内。9.如权利要求6所述的方法，其中，所述温度是约300℃。10.如权利要求1所述的方法，其中，还原所述氧化石墨烯的步骤是通过使用选自肼、抗坏血酸、氢卤酸、硼氢化钠、碘化氢、硫酸或其组合的化学试剂。11.如权利要求1所述的方法，其中，还原所述氧化石墨烯的步骤是通过UV照射。12.一种用于生产经微波还原的氧化石墨烯(MW-rGO)的方法，所述方法包括：(a)提供经还原的氧化石墨烯(rGO)；以及(b)微波处理所述rGO，直到产生含有约5原子％或更低的氧浓度的MW-rGO。13.如权利要求1或12所述的方法，其中，所述经还原的氧化石墨烯(rGO)是干rGO粉末。14.如权利要求1或12所述的方法，其中，所述rGO是湿rGO粉末。15.如权利要求14所述的方法，其中，所述湿rGO粉末未悬浮在液体中。16.如权利要求14所述的方法，其中，所述湿rGO粉末含有残留的用于还原所述氧化石墨烯的化学试剂。17.如权利要求1或12所述的方法，其中，所述rGO是呈单石墨烯层膜的形式。18.如权利要求1或12所述的方法，其中，所述rGO是呈两层或更多层至数千层膜的形式。19.如权利要求1或12所述的方法，其中，所述rGO是呈3D结构的形式。20.如权利要求1或12所述的方法，其中，将所述rGO结合到绝缘基质中。21.如权利要求20所述的方法，其中，所述绝缘基质是聚合物基质。22.如权利要求20所述的方法，其中，所述绝缘基质是陶瓷基质。23.如权利要求1或12所述的方法，其中，微波处理所述rGO的步骤是通过用电磁辐射以约300MHz至约300GHz的微波频率范围、优选约2.45GHz照射所述经还原的氧化石墨烯持续一秒或更多秒来实现的。24.如权利要求1或12所述的方法，其中，微波处理所述rGO的步骤是用微波频率加热装置进行的。25.如权利要求24所述的方法，其中，所述微波频率加热装置是具有约100瓦至约100千瓦的功率的微波炉。26.如权利要求25所述的方法，其中，将所述微波炉在1000瓦运行持续1秒或更多秒脉冲。27.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛尼许·寇沃拉，戴米恩·佛伊里，梁智恩，雅各·卡普弗伯格，
申请(专利权)人：新泽西州立拉特格斯大学，
类型：发明
国别省市：美国,US