一种氧化石墨烯的制备方法与流程

1.本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及氧化石墨烯的制备技术。


背景技术：

2.石墨烯是碳单原子层的二维纳米材料，至从2004年被发现以来，受到空前的关注，被誉为材料之王。石墨烯的制备方法可分为至上而下和至下而上两种方法，其中至上而下的方法使用石墨为原料，石墨是结晶态的碳材料，属于层状结构，一个石墨颗粒就像一本书，构成书的每一张纸是碳的单原子层也就是石墨烯。如果将这张纸裹起来就可以得到碳纳米管，如果裹得巧妙又可以是富勒烯，如果是三维结构而不是单层结构又可以是金刚石，所以石墨烯又可以看成是单层金刚石。至上而下制备石墨烯的方法就是如何将石墨这本书撕开得到石墨烯单张纸的过程。之下而上制备石墨烯的过程一般是使用碳前躯体成膜的过程。
3.经过十几年的发展全世界科研人员开发了各种实验室制备石墨烯的方法，例如机械剥离法，化学气相沉积法，热分解碳化硅法，氧化还原法，其中氧化还原法是最主流的产业化方法。氧化还原包括氧化和还原两个步骤，其中第一步氧化就是要得到氧化石墨烯，制备氧化石墨烯的方法一般有三种，standenmaier法，brodies法，hummers法，制备的基本原理均为先用强质子酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂氧化。由于强酸的使用会腐蚀设备并产生严重污染。得到氧化石墨烯后，再通过第二部还原的方法得到石墨烯，还原方法可以是光照还原，热还原，微波还原，化学液相还原等等。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决通过氧化还原法制备石墨烯这一最常用方法中使用强酸的问题，本发明解决这个问题的技术方案是直接利用石墨在空气气氛下通过刚玉相氧化铝高温催化氧化来制备氧化石墨烯，本发明的第二个目的是提供一种空气气氛下催化氧化石墨的催化剂刚玉相氧化铝。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
6.一种氧化石墨烯的制备方法及催化氧化石墨的催化剂，其特征在于包括以下步骤：
7.将5～20wt％鳞片石墨粉和80～95wt％刚玉相氧化铝粉混匀，再将混合粉置于1000℃～1300℃的空气气氛马弗炉中，保温10～40min后，高温状态取出自然冷却或水冷得到黄色氧化石墨包裹的刚玉粉，再将上述黄色粉末加入到水或无水乙醇中，置于行星球磨机中湿法球磨球磨10～24小时，离心分离烘干后得到氧化石墨烯。
8.本发明磷片石墨质量占比为5～20wt％，占比太低产率不高，占比太高石墨氧化损失严重。
9.本发明石墨氧化温度为1000℃～1300℃，温度低氧化太慢，温度高氧化太快。表1为不同氧化物催化氧化石墨的产率。
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由表1可知刚玉相氧化铝的催化活性最高，并且刚玉相氧化铝作为催化剂可以重复使用。
附图说明
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图1：1000℃高温氧化，离心分离后氧化石墨烯的tem(透射电子显微镜)图图2：1100℃高温氧化，离心分离后氧化石墨烯的tem(透射电子显微镜)图图3：1200℃高温氧化，离心分离后氧化石墨烯的tem(透射电子显微镜)图图4：1300℃高温氧化，离心分离后氧化石墨烯的tem(透射电子显微镜)图
具体实施方式
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为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
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实施例1
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将5克鳞片石墨粉和95克刚玉相氧化铝粉混匀，将混合粉倒入平底刚玉瓷舟中铺平，将马弗炉加热到1000℃保温，打开炉门，将刚玉瓷舟迅速放进马弗炉中，关闭炉门保温30分钟后高温取出冷却，将冷却后的粉体加水置于行星球磨机中球磨湿法24小时，球磨介质为玛瑙球。将球磨后的混合液置于离心机中2000转/分钟，离心分离5分钟，取上部液体干燥后得到氧化石墨烯粉体，粉体的透射电镜图如附图1.
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实施例2
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将10克鳞片石墨粉和90克刚玉相氧化铝粉混匀，将混合粉倒入平底刚玉瓷舟中铺平，将马弗炉加热到1100℃保温，打开炉门，将刚玉瓷舟迅速放进马弗炉中，关闭炉门保温20分钟后高温取出冷却，将冷却后的粉体加水置于行星球磨机中球磨湿法20小时，球磨介质为玛瑙球。将球磨后的混合液置于离心机中2000转/分钟，离心分离5分钟，取上部液体干燥后得到氧化石墨烯粉体，粉体的透射电镜图如附图2.
[0019]
实施例3
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将15克鳞片石墨粉和85克刚玉相氧化铝粉混匀，将混合粉倒入平底刚玉瓷舟中铺平，将马弗炉加热到1200℃保温，打开炉门，将刚玉瓷舟迅速放进马弗炉中，关闭炉门保温15分钟后高温取出冷却，将冷却后的粉体加水置于行星球磨机中球磨湿法15小时，球磨介质为玛瑙球。将球磨后的混合液置于离心机中2000转/分钟，离心分离5分钟，取上部液体干
燥后得到氧化石墨烯粉体，粉体的透射电镜图如附图3.
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实施例4
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将20克鳞片石墨粉和80克刚玉相氧化铝粉混匀，将混合粉倒入平底刚玉瓷舟中铺平，将马弗炉加热到1300℃保温，打开炉门，将刚玉瓷舟迅速放进马弗炉中，关闭炉门保温10分钟后高温取出冷却，将冷却后的粉体加水置于行星球磨机中球磨湿法10小时，球磨介质为玛瑙球。将球磨后的混合液置于离心机中2000转/分钟，离心分离5分钟，取上部液体干燥后得到氧化石墨烯粉体，粉体的透射电镜图如附图4。


技术特征：
1.一种氧化石墨烯的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：将5～20wt％鳞片石墨粉和80～95wt％刚玉相氧化铝粉混匀；步骤二：将混合粉直接置于1000℃～1300℃的空气气氛马弗炉中，保温10～40min后；步骤三：直接在1000℃～1300℃高温状态取出石墨和刚玉相氧化铝的混合粉，自然冷却或水冷得到黄色氧化石墨包裹的刚玉粉；步骤四：将步骤三制得的黄色粉末加入到水或无水乙醇中，置于行星球磨机中湿法球磨球磨10～24小时，离心分离烘干后得到氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述鳞片石墨粉质量占比优选8wt％-15wt％。3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述鳞片石墨粉质量占比优选12wt％-15wt％。4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：将15wt％鳞片石墨粉和85wt％刚玉相氧化铝粉混匀；步骤二：将混合粉直接置于1200℃的空气气氛马弗炉中，保温15min后；步骤三：直接在1200℃高温状态取出步骤二中的混合物，自然冷却得到黄色氧化石墨包裹的刚玉粉；步骤四：将步骤三制得的黄色粉末加入到无水乙醇中，置于行星球磨机中湿法球磨球磨15小时，离心分离5min，去上部液体烘干后得到氧化石墨烯。5.根据权利要求1-4所述的任一一种氧化石墨烯制备方法，其特征在于：所述的刚玉相氧化铝粉质量占比优选85wt％～95wt％。

技术总结
本发明涉及一种氧化石墨烯的制备方法，本发明利用刚玉相氧化铝在1000℃以上高温，空气气氛下短时间催化氧化石墨得到氧化石墨烯，本技术方案得以实现的关键是找到刚玉相氧化铝这个催化剂，其作用是防止石墨被氧化成气态碳氧化物，而是直接催化氧化石墨得到氧化石墨烯。本发明与现有技术相比，不使用任何强酸，提供了一种固相法制备氧化石墨烯的方案。供了一种固相法制备氧化石墨烯的方案。供了一种固相法制备氧化石墨烯的方案。


技术研发人员：董雷 杨悦琪
受保护的技术使用者：苏州北美国际高级中学
技术研发日：2020.10.17
技术公布日：2021/10/11