石墨的氧化及剥离新技术研究
我国石墨资源虽储量巨大，却由于长期的经营不善处于滥采滥用，低出口高进口的状态，为最大程度合理利用石墨资源，对石墨的精细加工显得尤为重要。 本文瞄准石墨的下游产品--氧化石墨，氧化石墨烯和石墨烯，研究新的制备方法，旨在提高产量，简化操作过程，降低能耗，减少污染。主要研究内容包括以下两个方面: (1)对Hummers法工艺改进，通过正交试验设计的方法，分别研究了各反应条件对产品氧化石墨的影响，得出了最佳工艺条件:原料质量比为石墨∶高锰酸钾＝1∶3，石墨∶浓硫酸＝1∶50，反应时间为3h，反应温度为60℃，制备的氧化石墨碳氧比为0.79，含硫量为3.54wt％。与Hummers法相比，新的工艺省去了高温反应阶段，简化了制备过程，降低了实验的危险性，并节约了成本。将改进前后的两种方法制备的氧化石墨进行对比，发现改进后的一步法中多了环氧基，产品氧化程度更高，层间距更大，约为0.94nm，大于Hummers法的0.796nm，更容易剥离制备氧化石墨烯。水热还原结果表明，一步法中的含氧官能团基本都能去除，还原效果更好，制备的3D石墨烯结构更蓬松，孔径更大，比表面积为147m2/g，大于Hummers法制备的135m2/g，机械应力更好，电阻为11Ω，优于Hummers法电阻17Ω。对染料番红O的吸附能力980mg/g，也优于Hummers法的860mg/g。 (2)电化学法对石墨进行处理时，分别进行了石墨的提纯，氧化石墨烯和石墨烯制备的研究。在石墨容器中采用碱性电解质对石墨粉末进行电化学提纯，有效除去了石墨片层内含的杂质S、Si等及一些小分子挥发分，并使石墨芳香环的共轭结构更加规整，便于石墨的后续加工和使用。通过将阴阳极分隔开来制备氧化石墨烯，得到的产品氧化程度高，碳氧比为1.47，产品中包含多种含氧官能团，层数较少，片层大小约500nm左右。该法与化学氧化法相比，无需使用危险试剂，也省去了繁琐的清洗过程，与常规的电化学法相比，氧化程度明显提高，因而是一项具有发展前景的新技术。在石墨烯的制备过程中，采用极性交替法，最大程度利用了氢气的还原作用，降低了石墨烯的氧化程度。研究发现，石墨烯的氧化程度随着电极交替周期减小而降低，平均片层大小也随之减小，片层变薄，缺陷减小;随着电解时间增加，产量提高，平均片层减小，片层变薄，氧化程度和缺陷基本不变。当采用1min的交替周期剥离5h时，制备的石墨烯碳氧比高达19.23，浓度为1.66mg/ml，平均片层大小为128nm，98％的片为单层、双层和三层石墨烯，缺陷可以媲美直接剥离法产品，并在产品中发现大量石墨烯量子点，为量子点的制备开辟了一条新的简单高效的途径。
石墨;石墨烯;Hummers法;电化学法
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
毋伟
2018
中文
TQ127.11
84
2018-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）