（一）技術領域

本發(fā)明涉及新材料技術領域，特別涉及一種鐵粉為還原劑快速宏量制備石墨烯的方法。

（二）

背景技術：

石墨烯（graphene）是單原子厚度的二維碳原子晶體，被認為是構成富勒烯、碳納米管和石墨的基本結構單元。在自然界中，石墨烯是人們所認識到的最薄的一種材料，其厚度僅為0.335nm。其原子排列與單原子層石墨一樣，這種近乎完美的結構使石墨烯具有眾多奇特的電學、熱學、力學等性能。其導熱性好(5000w/(m·k)，比表面積大(2630m²/g)，載流子濃度高達1013/cm²，室溫下電子遷移率可達2×10⁵cm²/(v·s)。優(yōu)異的性能使得石墨烯在化學儲能、傳感器、導電油墨、散熱材料、防腐涂料、功能橡膠、污水處理、海水淡化等領域有著光明的應用前景。

目前，制備石墨烯的方法主要有機械剝離法、氣相沉積法、外延生長法、電弧法、電化學法、有機合成法和還原法等。其中氧化石墨烯還原法因其成本低廉和制備過程相對簡單，是目前大規(guī)模制備石墨烯材料的唯一有效途徑。目前，還原氧化石墨烯主要有高溫熱還原法和化學還原法。但是這兩類方法都有缺點，第一類方法反應溫度高，能耗高，且設備要求高；第二類方法，常用的化學還原劑如純水合肼、硼氫化鈉等有毒，易污染環(huán)境。因此，開發(fā)一種高效、綠色、廉價的石墨烯制備方法是石墨烯及石墨烯基復合材料性能深入研究和廣泛應用的前提。

（三）

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術的不足，提供了一種低成本、低能耗、低污染的鐵粉為還原劑快速宏量制備石墨烯的方法。

本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：

一種鐵粉為還原劑快速宏量制備石墨烯的方法，包括如下步驟：

（1）采用改進的hummers法制備氧化石墨，用純水稀釋氧化產物，經超聲、振蕩或強力攪拌處理，得氧化石墨烯酸液；

（2）將氧化石墨烯酸液轉移至反應容器中，升溫至40-98℃，攪拌條件下，加入還原性鐵粉，反應1-6h，靜置降溫至50℃，趁熱過濾，經洗滌、干燥、粉碎、篩分，制得石墨烯粉體。

本發(fā)明采用改進的hummers法制備氧化石墨，經稀釋和超聲分散處理得氧化石墨烯酸液，然后用鐵粉還原氧化石墨烯制備石墨烯。與傳統(tǒng)的還原劑相比，以工業(yè)化的還原性鐵粉作為還原劑，原料廉價、無毒。此外，鐵粉還原氧化石墨烯，過程能耗低、污染少、周期短，易于快速批量化制備石墨烯，有利于推動石墨烯在化學儲能、傳感器、導電油墨、散熱材料、防腐涂料、功能橡膠、污水處理、海水淡化等領域的應用。

本發(fā)明的更優(yōu)技術效果為：

步驟（1）中，采用的改進的hummers法，包括以hummers法為基礎改進的所有方法。

步驟（1）中，反應產物加純水稀釋至0.1-5mg/ml，優(yōu)選0.5-2mg/ml；超聲處理優(yōu)選2-3h；超聲功率為100w-10kw，優(yōu)選2-5kw；振蕩或強力攪拌1-2h。

步驟（2）中，還原劑鐵粉與氧化石墨烯的質量比為1-10:1，優(yōu)選2-4:1。

步驟（2）中，酸性氧化石墨烯酸液升溫至60-90℃；加入還原性鐵粉，反應2-3h。

步驟（2）中，洗滌步驟為，先用3-10wt%的稀鹽酸洗，再用純水洗；干燥方式為冷凍干燥、烘箱干燥或噴霧干燥；粉碎方式為氣流粉碎或機械粉碎。

本發(fā)明選擇的還原氧化石墨烯的還原劑為還原性鐵粉，價格低廉，無毒無污染，屬于環(huán)境友好型試劑；石墨烯制備過程能耗低、周期短、污染小，適用于規(guī)模化生產。

（四）附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為本發(fā)明實施例1所得的石墨烯的x-射線衍射圖譜（xrd）；

圖2為本發(fā)明實施例1所得的石墨烯的掃描電子顯微鏡圖（sem）；

圖3為本發(fā)明實施例1所得的石墨烯的透射電子顯微鏡圖（tem）。

（五）具體實施方式

實施例1：一種氧化石墨烯的還原方法，包括以下步驟：

（1）氧化石墨烯的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將20g天然石墨和由0.54濃硫酸和0.06l濃磷酸組成的0.6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入80g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應2小時，將產物排出，加入6倍的去離子純水稀釋，加入過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；繼續(xù)加水稀釋至0.56mg/ml，3kw超聲處理1h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至反應釜中，電動攪拌條件下，升溫至90℃，加入128g的鐵粉，90℃下反應3h；然后，用5%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后冷凍干燥，機械粉碎、篩分制得石墨烯粉末。經分析測試可知：還原后的石墨烯電導率為2895s/m，比表面積為163m²/g。

實施例2：一種氧化石墨烯的還原方法，包括以下步驟：

（1）氧化石墨的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將20g天然石墨和由0.54濃硫酸和0.06l濃磷酸組成的0.6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入80g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應2小時，將產物排出，加入6倍的去離子純水稀釋，加入過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；繼續(xù)加水稀釋至0.56mg/ml，3kw超聲處理1h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至反應釜中，電動攪拌條件下，升溫至90℃，加入256g的鐵粉，在90℃下反應1h；然后用5%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后冷凍干燥，機械粉碎、篩分制得石墨烯粉末。經分析測試可知：還原后的石墨烯電導率為2755s/m，比表面積為195m²/g。

實施例3：

（1）氧化石墨烯的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將200g天然石墨和由5.4濃硫酸和0.6l濃磷酸組成的6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入800g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應1小時，將產物排出，加入純水稀釋至40l，加入0.2l過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；然后加入純水稀釋至0.45mg/ml；量取60l、0.45mg/ml氧化石墨懸懸濁液，600w超聲處理2h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至100l反應釜中，電動攪拌下升溫至90℃，然后加入128g的鐵粉，90℃反應1h；然后，用10wt%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后經高剪切、噴霧干燥、氣流粉碎、篩分，得石墨烯粉體。經分析測試：石墨烯粉體電導率為2598s/m，比表面積為286m²/g。

實施例4：

（1）氧化石墨烯的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將200g天然石墨和由5.4濃硫酸和0.6l濃磷酸組成的6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入800g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應1小時，將產物排出，加入純水稀釋至40l，加入0.2l過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；然后加入純水稀釋至0.45mg/ml；量取60l、0.45mg/ml氧化石墨懸懸濁液，600w超聲處理2h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至100l反應釜中，電動攪拌下升溫至90℃，然后加入128g的鐵粉，90℃反應3h；然后，用5wt%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后經高剪切、噴霧干燥、氣流粉碎、篩分，得石墨烯粉體。經分析測試：石墨烯粉體電導率為3450s/m，比表面積為180m²/g。

實施例5：

（1）氧化石墨烯的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將200g天然石墨和由5.4濃硫酸和0.6l濃磷酸組成的6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入800g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應1小時，將產物排出，加入純水稀釋至40l，加入0.2l過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；然后加入純水稀釋至0.45mg/ml；量取60l、0.45mg/ml氧化石墨懸懸濁液，600w超聲處理6h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至100l反應釜中，電動攪拌下升溫至90℃，然后加入128g的鐵粉，90℃反應1h；然后，用5wt%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后經高剪切、噴霧干燥、氣流粉碎、篩分，得石墨烯粉體。經分析測試：石墨烯粉體電導率為3096s/m，比表面積為235m²/g。

實施例6：

（1）氧化石墨烯的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將200g天然石墨和由5.4濃硫酸和0.6l濃磷酸組成的6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入800g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應1小時，將產物排出，加入純水稀釋至40l，加入0.2l過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；然后加入純水稀釋至0.45mg/ml；量取60l、0.45mg/ml氧化石墨懸懸濁液，600w超聲處理2h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至100l反應釜中，電動攪拌下升溫至50℃，然后加入128g的鐵粉，50℃反應3h；然后，用5wt%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后經高剪切、噴霧干燥、氣流粉碎、篩分，得石墨烯粉體。經分析測試：石墨烯粉體電導率為2547s/m，比表面積為258m²/g。

實施例7：

（1）氧化石墨烯的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將200g天然石墨和由5.4濃硫酸和0.6l濃磷酸組成的6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入800g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應1小時，將產物排出，加入純水稀釋至40l，加入0.2l過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；然后加入純水稀釋至0.45mg/ml；量取60l、0.45mg/ml氧化石墨懸懸濁液，600w超聲處理2h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至100l反應釜中，電動攪拌下升溫至70℃，然后加入128g的鐵粉，70℃反應3h；然后，用5wt%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后經高剪切、噴霧干燥、氣流粉碎、篩分，得石墨烯粉體。經分析測試：石墨烯粉體電導率為2679s/m，比表面積為226m²/g。

實施例8：

（1）氧化石墨烯的制備：使用改進hummers法制備氧化石墨，首先，將200g天然石墨和由5.4濃硫酸和0.6l濃磷酸組成的6l混合酸混合于反應釜內，開啟電磁攪拌器攪拌均勻。在釜內物料溫度低于20℃的情況下緩慢加入800g高錳酸鉀；之后升溫至80℃反應1小時，將產物排出，加入純水稀釋至40l，加入0.2l過氧化氫制得亮黃色的氧化石墨酸液；然后加入純水稀釋至0.45mg/ml；量取60l、0.45mg/ml氧化石墨懸懸濁液，600w超聲處理2h，得氧化石墨烯酸液；

（2）石墨烯的制備：將氧化石墨烯酸液轉移至100l反應釜中，電動攪拌下升溫至90℃，然后加入64g的鐵粉，90℃反應3h；然后，用5wt%稀鹽酸洗滌除去殘留的鐵粉，再純水洗至濾液ph=7，最后經高剪切、噴霧干燥、氣流粉碎、篩分，得石墨烯粉體。經分析測試：石墨烯粉體電導率為2435s/m，比表面積為253m²/g。