一種高效率環(huán)境友好的氧化石墨的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高效率環(huán)境友好的氧化石墨的制備方法，屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是緊密堆積成二維六方蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的單層碳原子，作為一種新型碳材料，石墨烯自發(fā)現(xiàn)之日起就受到了各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。石墨烯中電子的運(yùn)動(dòng)速度超過了在其他金屬單體或是半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度，能達(dá)到光速的1/300，室溫下石墨烯平面上的電子迀移率可達(dá)2 X 15Cm2.V-1.S-1。理想的單層石墨稀的比表面積能夠達(dá)到2630m2.g-1，并且?guī)捉该鳎馕罩挥?.3%。單層石墨烯的楊氏模量高達(dá)llOOGPa，比10級(jí)的金剛石還高，并且韌性非常好，可以隨意彎曲。此外，石墨烯還具有突出的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱率高達(dá)5000W.m-1.K-1。因此，石墨稀是一種應(yīng)用潛力非常廣泛的碳材料，在新一代信息技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、海洋工程、新能源等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和復(fù)合材料、涂層等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景。
[0003]目前已經(jīng)報(bào)道的石墨烯的制備方法主要有微機(jī)械剝離、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法和溶液相制備法等幾種。但是，相比氧化石墨法，其他方法因其操作復(fù)雜、條件苛刻或是產(chǎn)率低，難以應(yīng)用到石墨烯的大規(guī)模制備和應(yīng)用。氧化還原法過程簡(jiǎn)單，可以大量、高效地制備石墨烯，是大規(guī)模制備石墨烯材料的一條有效的途徑。目前氧化還原方法的氧化工藝、剝離工藝和還原工藝已經(jīng)相對(duì)成熟。但是目前氧化石墨的制備仍存在很多理論和技術(shù)上的不足。首先，氧化反應(yīng)的機(jī)理、氧化反應(yīng)周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜而且能耗高；其次，氧化還原法每生產(chǎn)I噸石墨烯需消耗50噸濃硫酸，產(chǎn)生萬噸級(jí)的含重金屬離子的強(qiáng)酸性廢水，造成巨大環(huán)境污染，環(huán)保處理消耗巨大的人力和財(cái)力，使得石墨烯成本居高不下。以上兩方面的瓶頸問題嚴(yán)重阻礙了石墨烯的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。因此，如何實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的高效低成本制備和氧化石墨制備過程中的廢酸處理濃酸依然是石墨烯規(guī)模化制備和應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種高效率環(huán)境友好的氧化石墨的制備方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種高效率環(huán)境友好的氧化石墨的制備方法，包括以下步驟:
[0006](I)氧化石墨的制備:將石墨與濃硫酸溶液混均后，在室溫下緩慢加入強(qiáng)氧化劑，攪拌5?20min;緩慢加入去離子水，保持硫酸濃度在85-95 %之間；40-80°C反應(yīng)10_60min，得到氧化石墨濃硫酸分散液；
[0007](2)濃硫酸的回收:抽濾氧化石墨烯濃硫酸分散液;硫酸濾液備用;氧化石墨濾餅用去離子水洗滌，調(diào)節(jié)氧化石墨稀濃度為0.lg/L?10g/L;
[0008](3)利用回收濃硫酸氧化石墨:將步驟(2)回收的硫酸濾液混均后，在室溫下緩慢加入強(qiáng)氧化劑，攪拌5?20min ； 40-80 °C反應(yīng)l_4h，重復(fù)步驟(2)。
[0009] 步驟(I)中，所述濃硫酸為98%濃硫酸;濃硫酸的體積與石墨的質(zhì)量比為20ml/g?100ml/g;強(qiáng)氧化劑與石墨的質(zhì)量比為3:1?6:1;去離子水加入速度與濃硫酸的體積比為
0.001ml/min.ml?0.02ml/min.ml，優(yōu)選0.0lml/min.ml?0.02ml/min.ml。
[00?0] 步驟(2)中，抽濾壓力升高速度為0.001MPa/min?0.0lMPa/min;氧化石墨濃硫酸分散液與抽濾濾布的面積比為50g/m2?500g/m2。
[0011 ]步驟(2)中，抽濾濾布為滌綸、丙綸、無紡布、氨綸布、腈綸布、金屬網(wǎng)、針刺布、濾網(wǎng)、乙綸布;所述濾布的規(guī)格為30?800目。
[0012]步驟(3)中，回收的硫酸濾液積與石墨的質(zhì)量比為20ml/g?100ml/g;強(qiáng)氧化劑與石墨的質(zhì)量比為3:1?6:1。
[0013]步驟(I)和步驟(3)中，所述石墨為塊狀石墨、鱗片石墨或土狀石墨。
[0014]步驟(I)和步驟(3)中，所述氧化劑為高錳酸鉀、高氯酸鉀或五氧化二磷；當(dāng)使用高錳酸鉀作為氧化劑時(shí)，步驟(2)中，氧化石墨烯濾餅先用雙氧水除去過量的高錳酸鉀，再用去離子水洗滌，雙氧水的質(zhì)量濃度為30%，雙氧水的體積與高錳酸鉀的質(zhì)量比為lml/g?
10ml/go
[0015]有益效果:本發(fā)明提供的氧化石墨的制備方法高效率、環(huán)境友好、技術(shù)簡(jiǎn)單易行、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高，適合工業(yè)化大規(guī)模化推廣。
[0016]具體而言，本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的優(yōu)勢(shì):
[0017]第一，本發(fā)明創(chuàng)新地選擇低濃度的硫酸用于石墨的氧化實(shí)現(xiàn)了高效快速的氧化石墨。發(fā)明人通過探究氧化機(jī)理發(fā)現(xiàn):質(zhì)量濃度為85 %?95 %的濃硫酸相比于98 %的濃硫酸更容易使石墨氧化。
[0018]第二，本發(fā)明將濃硫酸稀釋至低濃度硫酸的熱量作為氧化反應(yīng)的熱源簡(jiǎn)化了氧化反應(yīng)的設(shè)備和降低了成本。本發(fā)明通過將98%的濃硫酸稀釋至85%?95%的稀釋熱量作為氧化反應(yīng)的熱源，回收反應(yīng)體系中的硫酸，實(shí)現(xiàn)高效低成本的氧化石墨。
[0019]第三，本發(fā)明將硫酸回收利用，即解決了廢酸處理的問題，又節(jié)約成本，做到循環(huán)利用。本發(fā)明回收反應(yīng)完成后體系中的濃硫酸，再通過外部加熱的方式利用回收的濃酸做石墨氧化反應(yīng)制備氧化石墨，做到循環(huán)利用，既解決了廢酸處理問題，又節(jié)約成本。
【附圖說明】
[0020]圖1為實(shí)施例1步驟(2)制得的氧化石墨的XRD表征圖。
[0021 ]圖2為實(shí)施例1步驟(3)制得的氧化石墨的XRD表征圖。
[0022]圖3為實(shí)施例5制備的氧化石墨的光學(xué)顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0023]根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實(shí)施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結(jié)果僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。
[0024]實(shí)施例1
[0025](I)氧化石墨的制備:
[0026]取10g(100目)天然鱗片石墨與1000ml質(zhì)量濃度為98%的硫酸混合均勻后，緩慢加入50g高猛酸鉀，繼續(xù)攪拌1min至混合均勾，然后在保持?jǐn)嚢钘l件下，以lml/min的速度加入去離子水，保持反應(yīng)體系溫度為40 °C反應(yīng)60min，體系最終硫酸的質(zhì)量濃度為95%。
[0027](2)回收濃硫酸:
[0028]然后采用過濾面積為0.2m2的真空抽濾裝置，選擇200目的滌綸濾布，在0.0lMPa/min的抽濾壓力升高速度下，抽濾以上氧化石墨濃硫酸分散液，回收得到100ml 95%質(zhì)量濃度的濃硫酸，硫酸回收率為95%。然后將氧化石墨濾餅轉(zhuǎn)移出抽濾裝置，加入100L去離子水，配制質(zhì)量濃度0.lg/L的氧化石墨分散液，在保持?jǐn)嚢璧臈l件下，迅速加入50ml 30%的雙氧水去除體系中剩余的高錳酸鉀，得到黃色的氧化石墨分散液。
[0029]利用XRD表征干燥后的氧化石墨濾餅，如圖1所示，可以求得氧化石墨的層間距離為0.863nm，相比初始石墨的層間距0.34nm，有很大的增加，說明插層氧化石墨的效果非常好。
[0030](3)利用回收濃硫酸氧化石墨:
[0031]取10g(100目)天然鱗片石墨與900ml質(zhì)量濃度為95%步驟(2)回收的硫酸混合均勻后，緩慢加入50g高錳酸鉀，繼續(xù)攪拌1min至混合均勻，然后在保持?jǐn)嚢钘l件下，將溫度升高至40°C反應(yīng)60min。重復(fù)步驟(2)的過程回收硫酸，最后得到黃色的氧化石墨分散液。[0032 ]利用XRD表征干燥后的氧化石墨濾餅，如圖2所示，XRD曲線與步驟(2)制備的氧化石墨的曲線相似，說明利用回收的硫酸制備的氧化石墨與步驟(2)制備的氧化石墨品質(zhì)一樣，氧化效果非常好。
[0033]實(shí)施例2
[0034](I)氧化石墨的制備:
[0035]取10g(325目)天然鱗片石墨與500ml質(zhì)量濃度為98%硫酸混合均勻后，緩慢加入40g高氯酸鉀，繼續(xù)攪拌5min至混合均勾，然后在保持?jǐn)嚢钘l件下，以1.4ml/min的速度加入去離子水，保持反應(yīng)體系溫度為50°C反應(yīng)45min，體系最終硫酸的質(zhì)量濃度為90%。
[0036](2)硫酸回收再利用:
[0037]然后采用過濾面積為0.1m2的真空抽濾裝置，選擇300目的丙綸濾布，在0.005MPa/min的抽濾壓力升高速度下，抽濾以上氧化石墨濃硫酸分散液，回收得到546ml 90%質(zhì)量濃度的濃硫酸，硫酸回收率為97%。然后將氧化石墨濾餅轉(zhuǎn)移出抽