一种制备氧化石墨烯的一体装置及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710855441.3 | 申请日 | 2017-09-20 | 公开(公告)号 | CN107416822A | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
| 申请人 | 东北石油大学; | 发明人 | 陈颖; 韩星月; 梁宏宝; 高彦华; 梁宇宁; 李静; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及的是一种制备 氧 化 石墨 烯的一体装置及其制备方法，其中制备氧化 石墨烯 的一体装置的夹套反应器置于磁 力 搅拌器上，超声 信号 发生器置于夹套反应器的上部；夹套反应器的外层夹套设置有入口管和出口管，低温冷却 水 循环 系统、循环油浴系统分别通过相应的出口管线连接至入口管，低温 冷却水 循环系统出口管线设置有冷却水出口切换 阀 ，循环油浴系统出口管线设置有加热油出口切换阀；低温冷却 水循环 系统、循环油浴系统分别通过相应的进口管线连接至出口管，低温冷却水循环系统回水管线设置有回水切换阀，循环油浴系统回油管线设置有回油切换阀。本发明将超声、搅拌及氧化过程在一个反应器中进行，无需反复更换实验设备，实现半自动化操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制备氧化石墨烯的一体装置，其特征在于：这种制备氧化石墨烯的一体装置包括夹套反应器（3）、超声信号发生器（2）、磁力搅拌器（4）、低温冷却水循环系统、循环油浴系统，夹套反应器（3）置于磁力搅拌器（4）上，超声信号发生器（2）置于夹套反应器（3）的上部，对夹套反应器（3）的反应内腔提供超声波；夹套反应器（3）的外层夹套设置有入口管和出口管，低温冷却水循环系统、循环油浴系统分别通过相应的出口管线连接至入口管，低温冷却水循环系统出口管线设置有冷却水出口切换阀（6），循环油浴系统出口管线设置有加热油出口切换阀；低温冷却水循环系统、循环油浴系统分别通过相应的进口管线连接至出口管，低温冷却水循环系统回水管线设置有回水切换阀，循环油浴系统回油管线设置有回油切换阀，夹套反应器（3）的外层夹套兼具冷却和加热功能。 |
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| 说明书全文 | 一种制备氧化石墨烯的一体装置及其制备方法技术领域背景技术[0002] 2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·盖姆（Andre K. Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）等使用微机械剥离法，成功制得单层石墨烯(graphene)，并因此于2010年获得诺贝尔物理学奖。此后，石墨烯成为物理学和材料学的热门话题。随着技术的发展，氧化石墨烯的合成方法一般分为Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法，其中Hummers法氧化程度较高，产品规整程度高，安全系数较高，使其成为最常用的方法。 发明内容[0003] 本发明的一个目的是提供一种制备氧化石墨烯的一体装置，这种制备氧化石墨烯的一体装置用于解决现有制备氧化石墨烯的装置存在需要将反应器不断更换的问题，本发明的另一个目的是提供这种制备氧化石墨烯的一体装置制备氧化石墨烯的方法。 [0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种制备氧化石墨烯的一体装置包括夹套反应器、超声信号发生器、磁力搅拌器、低温冷却水循环系统、循环油浴系统，夹套反应器置于磁力搅拌器上，超声信号发生器置于夹套反应器的上部，对夹套反应器的反应内腔提供超声波；夹套反应器的外层夹套设置有入口管和出口管，低温冷却水循环系统、循环油浴系统分别通过相应的出口管线连接至入口管，低温冷却水循环系统出口管线设置有冷却水出口切换阀，循环油浴系统出口管线设置有加热油出口切换阀；低温冷却水循环系统、循环油浴系统分别通过相应的进口管线连接至出口管，低温冷却水循环系统回水管线设置有回水切换阀，循环油浴系统回油管线设置有回油切换阀，夹套反应器的外层夹套兼具冷却和加热功能。 [0006] 上述制备氧化石墨烯的一体装置制备制备氧化石墨烯的方法：将夹套反应器的外层夹套与低温冷却水循环系统接通，并开启冷却循环，冷却至4℃以下； 称量23 25ml浓硫酸于50ml夹套反应器中，加入8 10ml浓硝酸和1g石墨，开启超声信号~ ~ 发生器，超声功率设置为40% 50%，工作2s，间歇8s，同时搅拌1 2h；在超声与搅拌进行的过~ ~ 程中，称取6g高锰酸钾，在1h内缓慢加入，之后再超声搅拌1h； 关闭低温冷却水循环系统，开启循环油浴系统，使夹套反应器的外层夹套与循环油浴系统接通，升温至90℃，持续保持90℃12h； 再关闭循环油浴系统，开启低温冷却水循环系统，冷却至室温后，将反应后的溶液加入到冷冻的1：10双氧水与水混合溶液中，用冷冻的1：10双氧水与水混合溶液还原多余的氧化剂；待溶液变为亮黄色，将其依次用10%盐酸、无水乙醇洗涤至中性，然后将其超声分散在水中，制得氧化石墨烯分散液，将分散液放入60℃真空干燥箱内干燥，干燥12h，即得氧化石墨烯。 [0007] 上述方案中制备的氧化石墨烯和水配置成0.02g/100ml悬浮液，并超声处理，没有任何悬浮物并长时间静置没有沉降物，得到氧化石墨烯水溶液。 [0008] 本发明具有以下有益效果：1、本发明将超声、搅拌及氧化过程在一个反应器中进行，无需反复更换实验设备，实现半自动化操作。石墨氧化得更加彻底，使实验操作更加便捷、安全。 [0009] 2、本发明将传统的Hummers法加以改进，将超声与搅拌同时引入反应过程中，使石墨氧化得更加彻底。同时使用低温冷却循环水控制整个反应，使反应进行的更加安全。操作方便快捷，有效的利用资源。本发明制备过程，严格控制反应温度，保证其氧化充分。附图说明 [0010] 图1为氧化石墨与氧化石墨烯的SEM图；图2为氧化石墨烯的FTIR图； 图3为氧化石墨烯的XRD图； 图4为本发明的装置图。 具体实施方式[0012] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：如图4所示，这种制备氧化石墨烯的一体装置包括夹套反应器3、超声信号发生器2、磁力搅拌器4、低温冷却水循环系统、循环油浴系统，夹套反应器3置于磁力搅拌器4上，超声信号发生器2置于夹套反应器3的上部，对夹套反应器3的反应内腔提供超声波；磁力搅拌器4设置于铁架台1上，用于为石墨浆料搅拌，超声信号发生器2通过铁架台1上部的夹紧环支撑，用于为石墨浆料超声，使其氧化、剥离更彻底。夹套反应器3的外层夹套设置有入口管和出口管，夹套反应器3的入口管位于其上部，夹套反应器3的出口管位于其下部。低温冷却水循环系统通过与夹套反应器3的外层夹层连接，用于实现供给低温环境，循环油浴系统通过与夹套反应器3的外层夹层连接，实现供给石墨浆料高温环境，通过低温冷却水循环系统、循环油浴系统与夹套反应器3的外层来实现低温环境或高温环境，使夹套反应器3的外层夹套兼具冷却和加热功能；低温冷却水循环系统、循环油浴系统分别通过相应的出口管线连接至入口管，低温冷却水循环系统出口管线设置有冷却水出口切换阀6，循环油浴系统出口管线设置有加热油出口切换阀；低温冷却水循环系统、循环油浴系统分别通过相应的进口管线连接至出口管，低温冷却水循环系统回水管线设置有回水切换阀，循环油浴系统回油管线设置有回油切换阀，低温冷却水循环系统设置低温冷却循环泵7，循环油浴系统设置循环油浴泵5。 [0013] 上述制备氧化石墨烯的一体装置制备制备氧化石墨烯的方法：将50ml夹套反应器3的外层夹套与低温冷却水循环系统接通，并开启冷却循环，冷却至 4℃以下； 称量23 25ml浓硫酸于50ml夹套反应器3中，加入8 10ml浓硝酸和1g石墨，开启超声信~ ~ 号发生器2，超声功率设置为40% 50%，工作2s，间歇8s，同时搅拌1 2h；在超声与搅拌进行的~ ~ 过程中，称取6g高锰酸钾，在1h内缓慢加入，之后再超声搅拌1h； 关闭低温冷却水循环系统，开启循环油浴系统，使夹套反应器3的外层夹套与循环油浴系统接通，升温至90℃，持续保持90℃12h； 再关闭循环油浴系统，开启低温冷却水循环系统，冷却至室温后，将反应后的溶液加入到冷冻的1：10双氧水与水混合溶液中，用冷冻的1：10双氧水与水混合溶液还原多余的氧化剂；待溶液变为亮黄色，将其依次用10%盐酸、无水乙醇洗涤至中性，然后将其超声分散在水中，制得氧化石墨烯分散液，将分散液放入60℃真空干燥箱内干燥，干燥12h，即得氧化石墨烯。 [0014] 将制备的氧化石墨烯和水配置成悬浮液（0.02g/100ml），并超声处理，没有任何悬浮物并长时间静置没有沉降物即为氧化石墨烯水溶液。 [0015] 图1为氧化石墨与氧化石墨烯SEM图片，从（a）图中可以看出，氧化石墨粉末在未配置成水溶液超声处理之前，成块状结构，表明氧化石墨是多层叠加在一起，未分离开来。（b）是经过超声处理的氧化石墨烯，可以看出氧化石墨烯成半透明薄纱状，边缘有褶皱，这些褶皱的形成是为了降低其表面的自由能，使其更稳定的存在。在氧化石墨烯上的sp3杂化的含氧官能团的存在，破坏了其本身的C=C双键，从而造成了褶皱的形成。 [0016] 图2为氧化石墨烯的FTIR谱图中，在高频区3434cm-1处，属于羟基的伸缩振动吸收峰，在2926cm-1和2854cm-1处分别对应亚甲基的反对称和对称伸缩振动。在中频区，1736cm-1对应着羧酸、羰基的C=O伸缩振动，1627cm-1对应于水分子羟基的弯曲振动，1384 cm-1归属为羧酸的C-O伸缩振动；1267cm-1位置附近归属为氧化石墨表面C-O-C伸缩振动，在1062cm-1处也出现了羟基吸收峰。这些含氧基团的存在已经阐明石墨被氧化，且这些极性基团特别是-OH的存在，使氧化石墨很容易形成氢键在水中，氧化石墨具有良好亲水性的缘由。 [0017] 图3为氧化石墨烯的XRD图，可以看出，在11.22°有氧化石墨烯的特征峰，根据布拉格公式计算，对应的晶面间距为0.788nm。 |
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