RU2709594C1 - Graphene oxide production method - Google Patents
Graphene oxide production method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2709594C1 RU2709594C1 RU2018134006A RU2018134006A RU2709594C1 RU 2709594 C1 RU2709594 C1 RU 2709594C1 RU 2018134006 A RU2018134006 A RU 2018134006A RU 2018134006 A RU2018134006 A RU 2018134006A RU 2709594 C1 RU2709594 C1 RU 2709594C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphite
- water
- hydrogen peroxide
- reaction mixture
- sulfuric acid
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
- B82B3/0033—Manufacture or treatment of substrate-free structures, i.e. not connected to any support
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/198—Graphene oxide
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии графеновых материалов, конкретно, к технологии получения оксида графена путем окисления графита.The invention relates to the technology of graphene materials, specifically, to a technology for producing graphene oxide by oxidation of graphite.
Оксид графена (ОГ) является производным графена, находящим широкое применение в науке и технике. Однако, до настоящего времени это вещество остается очень дорогим, от 100 до 400 долл. США за 1 грамм сухого вещества. Дороговизна связана со сложностью технологии синтеза ОГ и сложностью ее масштабирования.Graphene oxide (GH) is a graphene derivative that is widely used in science and technology. However, to date, this substance remains very expensive, from $ 100 to $ 400 per 1 gram of dry matter. The high cost is associated with the complexity of the exhaust gas synthesis technology and the complexity of its scaling.
Следует отметить, что до того, как начался бум исследований графеновых материалов, оксид графена называли (а иногда и теперь называют) оксидом графита. Название «оксид графена» - это дань моде. Оксид графена и оксид графита это одно и то же вещество.It should be noted that before the boom in research on graphene materials began, graphene oxide was called (and sometimes is now called) graphite oxide. The name graphene oxide is a tribute to fashion. Graphene oxide and graphite oxide are one and the same substance.
В настоящее время для получения ОГ наиболее часто применяется метод, описанный еще в 1958 году Хаммерсом и Оффеманом [W.S. Hummers Jr., R.E. Offeman. Preparation of Graphitic Oxide // Journal of American Chemical Society, 1958, Volume 80, Issue 6, p. 1339]. Один из современных вариантов данного метода описан в книге [Руководство по неорганическому синтезу. Т. 3. Под ред. Г. Брауэра. - М., Мир, 1985, 392 с. - С. 675-677]. Данный метод включает окисление природного графита перманганатом калия с добавкой нитрата натрия в концентрированной (95-98%) серной кислоте. В настоящее время существует много модификаций этого метода, касающихся подготовки исходных компонентов и их массового соотношения, технологических режимов, методов очистки продукта. Обзор известных методов синтеза оксида графена приведен в работе [S. Shamaila, A.K.L. Sajjad, I. Anum. Modifications in development of grapheme oxide synthetic routes. Chemical Engineering Journal (2016), doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2016.02.109].Currently, the most commonly used method for obtaining exhaust gas is the method described in 1958 by Hammers and Offeman [W.S. Hummers Jr., R.E. Offeman. Preparation of Graphitic Oxide // Journal of American Chemical Society, 1958, Volume 80, Issue 6, p. 1339]. One of the modern versions of this method is described in the book [Guide to inorganic synthesis. T. 3. Ed. G. Brauer. - M., Mir, 1985, 392 p. - S. 675-677]. This method involves the oxidation of natural graphite with potassium permanganate with the addition of sodium nitrate in concentrated (95-98%) sulfuric acid. Currently, there are many modifications of this method relating to the preparation of the starting components and their mass ratio, process conditions, and product cleaning methods. A review of known methods for the synthesis of graphene oxide is given in [S. Shamaila, A.K.L. Sajjad, I. Anum. Modifications in development of grapheme oxide synthetic routes. Chemical Engineering Journal (2016), doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2016.02.02.109].
Несмотря на многочисленные попытки усовершенствовать способ синтеза ОГ по Хаммерсу-Оффеману [W.S. Hummers Jr., R.E. Offeman. Preparation of Graphitic Oxide // Journal of American Chemical Society, 1958, Volume 80, Issue 6, p. 1339], он остается сложным с точки зрения контроля технологических режимов и занимает много времени (особенно для очистки конечного продукта). Данный способ включает следующие технологические операции:Despite numerous attempts to improve the method of synthesis of exhaust gas according to Hammers-Offeman [W.S. Hummers Jr., R.E. Offeman. Preparation of Graphitic Oxide // Journal of American Chemical Society, 1958, Volume 80, Issue 6, p. 1339], it remains difficult in terms of control of technological conditions and takes a lot of time (especially for cleaning the final product). This method includes the following process steps:
- смешивание кристаллического графита, нитрата натрия и концентрированной (66°Ве≈95%) серной кислоты при охлаждении реактора в ледяной бане;- mixing crystalline graphite, sodium nitrate and concentrated (66 ° Be≈95%) sulfuric acid while cooling the reactor in an ice bath;
- добавление к реакционной смеси при интенсивном перемешивании твердого перманганата калия (3 масс.ч. на 1 масс.ч. графита) с такой скоростью, чтобы температура реакционной смеси не превышала 20°С;- adding to the reaction mixture with vigorous stirring solid potassium permanganate (3 parts by weight per 1 part by weight of graphite) at such a rate that the temperature of the reaction mixture does not exceed 20 ° C;
- после добавления всего перманганата калия нагрев реакционной смеси до 35°С и получасовая выдержка при этой температуре;- after adding all the potassium permanganate, heating the reaction mixture to 35 ° C and half an hour exposure at this temperature;
- разбавление реакционной смеси водой, промывка водой, затем ионообменными смолами для удаления остатков электролитов (солей).- dilution of the reaction mixture with water, washing with water, then with ion exchange resins to remove electrolyte residues (salts).
Роль нитрата натрия в данном способе не совсем понятна. Можно предполагать, что в среде концентрированной серной кислоты нитрат дает нитроний-катион, который, будучи сильным окислителем, инициирует реакцию окислительного интеркалирования графита и тем самым способствует его эксфолиации, что в свою очередь ускоряет окисление перманганатом. Экспериментально установлено, что без добавления нитрата примесь недоокисленного графита в конечном продукте гораздо больше.The role of sodium nitrate in this method is not entirely clear. It can be assumed that in a medium of concentrated sulfuric acid, nitrate gives a nitronium cation, which, being a strong oxidizing agent, initiates the oxidative intercalation of graphite and thereby contributes to its exfoliation, which in turn accelerates the oxidation of permanganate. It was experimentally established that without the addition of nitrate, the admixture of underoxidized graphite in the final product is much greater.
Общими существенными признаками заявляемого изобретения и классического способа получения ОГ по Хаммерсу-Оффеману являются следующие:Common essential features of the claimed invention and the classical method of obtaining exhaust gas according to Hammers-Offeman are the following:
- Обработка графита, суспендированного в концентрированной серной кислоте, перманганатом калия.- Treatment of graphite suspended in concentrated sulfuric acid with potassium permanganate.
- Разбавление реакционной смеси водой.- Dilution of the reaction mixture with water.
- Добавление к реакционной смеси пероксида водорода для восстановления соединений марганца высших степеней окисления до сульфата двухвалентного марганца.- Adding hydrogen peroxide to the reaction mixture to reduce manganese compounds of higher oxidation states to divalent manganese sulfate.
- Применение ионообменных смол для удаления электролитов из водной дисперсии оксида графена.- The use of ion exchange resins to remove electrolytes from an aqueous dispersion of graphene oxide.
Данному способу присущи следующие недостатки:This method has the following disadvantages:
- Применение нитрата натрия в процессе окисления графита, что влечет необходимость очистки промывных вод от нитрат-иона. Кроме того, использование нитрата в концентрированной серной кислоте дает испарения азотной кислоты, а в результате реакции с графитом получаются токсичные окислы азота.- The use of sodium nitrate in the process of graphite oxidation, which entails the need to purify wash water from nitrate ion. In addition, the use of nitrate in concentrated sulfuric acid gives the vapor of nitric acid, and the reaction with graphite produces toxic nitrogen oxides.
- Как правило, данный способ дает не полностью окисленный продукт, то есть, чешуйки оксида графена, в центре которых находятся темные включения недоокисленного графита. Полнота окисления сильно зависит от качества исходного графита и температурно-временного режима процесса; с графитом очень высокого качества (с совершенной кристаллической структурой) примесь недоокисленного графита минимальная. Но с обычно применяемыми марками графита, доступными на рынке, оксид графена, полученный по рассматриваемому методу, содержит значительную примесь недоокисленного графита.- As a rule, this method gives an incompletely oxidized product, that is, graphene oxide flakes, in the center of which are dark inclusions of underoxidized graphite. The completeness of oxidation strongly depends on the quality of the initial graphite and the temperature-time regime of the process; with very high quality graphite (with perfect crystalline structure), the admixture of underoxidized graphite is minimal. But with the commonly used grades of graphite available on the market, graphene oxide obtained by the method under consideration contains a significant admixture of unoxidized graphite.
Для устранения указанных недостатков в различных работах предпринимались попытки усовершенствования метода Хаммерса-Оффемана, которые преимущественно сводились к предподготовке исходного графита путем его предварительного интеркалирования и эксфолиации, что ускоряло последующую реакцию окисления перманганатом калия.To eliminate these shortcomings in various studies, attempts have been made to improve the Hammers-Offeman method, which mainly boiled down to the preliminary preparation of the initial graphite by preliminary intercalation and exfoliation, which accelerated the subsequent oxidation reaction of potassium permanganate.
Так, в работе [Ling Sun, Bunshi Fugetsu. Mass production of graphene oxide from expanded graphite // Materials Letters, 2013, vol. 109, p. 207-210] в качестве исходного графита применяли терморасширенный графит и видоизменили порядок смешивания компонентов. Вначале смешивали терморасширенный графит с порошком тонкоизмельченного перманганата калия, затем к этой смеси при охлаждении в ледяной бане при перемешивании добавили 98%-ную серную кислоту. Образовалась густая паста. Затем охлаждающую баню убрали и продолжали перемешивание, в результате протекало окисление со вспениванием реакционной массы. Дальнейшая обработка продукта обычная.So, in [Ling Sun, Bunshi Fugetsu. Mass production of graphene oxide from expanded graphite // Materials Letters, 2013, vol. 109, p. 207-210], thermally expanded graphite was used as initial graphite, and the order of mixing of the components was modified. First, thermally expanded graphite was mixed with finely ground potassium permanganate powder, then 98% sulfuric acid was added to this mixture while cooling in an ice bath with stirring. A thick paste formed. Then the cooling bath was removed and stirring was continued; as a result, oxidation proceeded with foaming of the reaction mixture. Further processing of the product is common.
Недостатком данного метода, во-первых, является необходимость получения терморасширенного графита. Во-вторых, прибавление концентрированной серной кислоты сразу к смеси терморасширенного графита и твердого тонкоизмельченного перманганата калия является весьма опасным, потому что в данных условиях, при нарушении режима перемешивания или температурного режима, может получиться взрывчатый оксид семивалентного марганца. Очевидно, что данный способ не только опасен, но и мало пригоден для масштабирования, несмотря на декларацию массового производства оксида графена в названии статьи.The disadvantage of this method, firstly, is the need to obtain thermally expanded graphite. Secondly, the addition of concentrated sulfuric acid immediately to a mixture of thermally expanded graphite and solid finely ground potassium permanganate is very dangerous, because under these conditions, in violation of the mixing or temperature conditions, explosive heptavalent manganese oxide can be obtained. Obviously, this method is not only dangerous, but also not very suitable for scaling, despite the declaration of mass production of graphene oxide in the title of the article.
В патенте [United States Patent 9,428,394. Highly oxidized graphene oxide and methods for production thereof. Tour J.M., Kosynkin, D.V. August 30, 2016] для того, чтобы исключить применение нитрата и вместе с тем обеспечить полноту окисления графита, увеличивали массовое соотношение перманганата калия к графиту и проводили процесс в смеси серной и фосфорной кислот.Однако, такой метод приводит к неоправданно большому расходу перманганата калия и соответственно затратам на очистку или регенерацию отходов.In the patent [United States Patent 9,428,394. Highly oxidized graphene oxide and methods for production thereof. Tour J.M., Kosynkin, D.V. August 30, 2016] in order to exclude the use of nitrate and at the same time ensure complete oxidation of graphite, we increased the mass ratio of potassium permanganate to graphite and carried out the process in a mixture of sulfuric and phosphoric acids. However, this method leads to an unreasonably high consumption of potassium permanganate and according to the cost of cleaning or recovering the waste.
Известен способ получения ОГ, описанный в работе [Nina I. Kovtyukhova, Patricia J. Ollivier, Benjamin R. Martin, Thomas E. Mallouk, Sergey A. Chizhik, Eugenia V. Buzaneva, and Alexandr D. Gorchinskiy. Layer-by-Layer Assembly of Ultrathin Composite Films from Micron-Sized Graphite Oxide Sheets and Polycations // Chemistry of Materials, 1999, vol. 11, No 3, p. 771-778] (прототип). В данной работе обращается внимание на то, что обычно метод Хаммерса-Оффемана дает недоокисленный продукт, то есть, чешуйки с темными включениями исходного графита в центре. Для устранения этого недостатка графит подвергали предварительному окислительному интеркалированию в растворе, содержащем концентрированную серную кислоту, пятиокись фосфора и персульфат калия. При этом получалось темно-синее пинтеркалированное соединение графита, которое, очевидно, есть не что иное, как бисульфат графита I ступени интеркалирования.A known method for producing exhaust gas is described in [Nina I. Kovtyukhova, Patricia J. Ollivier, Benjamin R. Martin, Thomas E. Mallouk, Sergey A. Chizhik, Eugenia V. Buzaneva, and Alexandr D. Gorchinskiy. Layer-by-Layer Assembly of Ultrathin Composite Films from Micron-Sized Graphite Oxide Sheets and Polycations // Chemistry of Materials, 1999, vol. 11, No. 3, p. 771-778] (prototype). In this paper, attention is drawn to the fact that usually the Hammers-Offeman method gives an under-oxidized product, that is, flakes with dark inclusions of the original graphite in the center. To eliminate this drawback, graphite was subjected to preliminary oxidative intercalation in a solution containing concentrated sulfuric acid, phosphorus pentoxide, and potassium persulfate. In this case, a dark blue intercalated graphite compound was obtained, which, obviously, is nothing but graphite bisulfate of the first intercalation step.
Примечание: очевидно, что пятиокись фосфора в данной работе применялась для связывания свободной воды в концентрированной серной кислоте. Как показывает наш опыт работы с этой и подобными системами, окислительное интеркалирование графита персульфатами калия или аммония до синего интеркалированного соединения графита I ступени происходит только в среде безводной серной кислоты. В обычной концентрированной серной кислоте, содержащей около 5% воды, при действии персульфатов на графит синего соединения графита не образуется, интеркалирование происходит не полностью.Note: it is obvious that phosphorus pentoxide in this work was used to bind free water in concentrated sulfuric acid. As our experience with this and similar systems shows, oxidative intercalation of graphite with potassium or ammonium persulfates to a blue intercalated compound of stage I graphite occurs only in anhydrous sulfuric acid. In ordinary concentrated sulfuric acid containing about 5% water, the blue compound of graphite does not form under the action of persulfates on graphite; intercalation does not occur completely.
После окислительного интеркалирования в указанных условиях реакционная смесь была разбавлена водой, графит отфильтровали, промыли водой до нейтрального рН и высушили. Затем провели обычный синтез ОГ по Хаммерсу, в результате чего получили ОГ без темных включений. Полученный продукт после восстановления диоксида марганца перекисью водорода отфильтровали, промыли вначале разбавленной (1:10) соляной кислотой для удаления солей металлов, затем продукт промывали диализом до удаления соляной кислоты. Получили водную дисперсию оксида графена, не содержащую включений недоокисленного графита.After oxidative intercalation under the indicated conditions, the reaction mixture was diluted with water, the graphite was filtered off, washed with water to a neutral pH and dried. Then, the usual synthesis of exhaust gas was carried out according to Hammers, as a result of which exhaust gas was obtained without dark inclusions. The resulting product after reduction of manganese dioxide with hydrogen peroxide was filtered off, washed first with dilute (1:10) hydrochloric acid to remove metal salts, then the product was washed with dialysis to remove hydrochloric acid. Received an aqueous dispersion of graphene oxide, not containing inclusions of underoxidized graphite.
Как известно из уровня техники, окислительное интеркалирование графита до синего бисульфата графита I ступени с последующим гидролизом приводит к частичной эксфолиации кристаллов графита на тонкие чешуйки, причем, эксфолиация происходит на стадии гидролиза. Таким образом, ускоряется доступ перманганата к внутренним зонам графитовых чешуек, что и приводит в конечном результате к более полному окислению графита в оксид графена. Вероятно, эффект эксфолиации графита и обеспечивает полноту окисления графита перманганатом калия в данных условиях.As is known from the prior art, the oxidative intercalation of graphite to blue graphite bisulfate of the first stage, followed by hydrolysis, leads to partial exfoliation of the graphite crystals on thin flakes, and exfoliation occurs at the hydrolysis stage. Thus, permanganate access to the inner zones of graphite flakes is accelerated, which ultimately leads to a more complete oxidation of graphite to graphene oxide. It is likely that the effect of exfoliation of graphite ensures the complete oxidation of graphite with potassium permanganate under these conditions.
В экспериментальной части рассматриваемой работы не говорится, добавляли ли авторы нитрат натрия в реакционную смесь или нет. Написано только, что проводили окисление предварительно обработанного, как описано выше, графита методом Хаммерса и кратко описывают методику. Возможно, о нитрате натрия забыли упомянуть.The experimental part of this work does not say whether the authors added sodium nitrate to the reaction mixture or not. It is only written that the oxidized graphite pretreated, as described above, was carried out by the Hammers method and they briefly described the procedure. Perhaps they forgot to mention sodium nitrate.
Общими существенными признаками заявляемого изобретения и способа-прототипа являются следующие:Common essential features of the claimed invention and the prototype method are the following:
- Обработка графита перекисным реагентом в серной кислоте.- Treatment of graphite with a peroxide reagent in sulfuric acid.
- Обработка графита в условиях, вызывающих эксфолиацию графита.- Processing of graphite under conditions causing exfoliation of graphite.
- Обработка предварительно эксфолиированного графита, суспендированного в концентрированной серной кислоте, перманганатом калия.- Treatment of pre-exfoliated graphite suspended in concentrated sulfuric acid with potassium permanganate.
- Разбавление реакционной смеси водой.- Dilution of the reaction mixture with water.
- Добавление к разбавленной реакционной смеси пероксида водорода для восстановления соединений марганца высших степеней окисления до сульфата двухвалентного марганца.- Adding hydrogen peroxide to the diluted reaction mixture to reduce manganese compounds of higher oxidation states to divalent manganese sulfate.
- Промывка продукта раствором кислоты.- Washing the product with an acid solution.
- Как вариант, промывка продукта диализом.- Alternatively, flushing the product with dialysis.
Недостатки способа-прототипа следующие:The disadvantages of the prototype method are as follows:
- Процесс предподготовки графита, включающий окислительное интеркалирование графита персульфатом калия в растворе серной кислоты с пятиокисью фосфора, разбавление, промывку водой и высушивание, является многостадийным и требует для своего осуществления дополнительного оборудования. Также, появляются новые отходы производства, что влечет дополнительные затраты на их обезвреживание или утилизацию. Это усложняет и удорожает технологию.- The process of graphite pretreatment, including oxidative intercalation of graphite with potassium persulfate in a solution of sulfuric acid with phosphorus pentoxide, dilution, washing with water and drying, is a multi-stage process and requires additional equipment for its implementation. Also, new production wastes appear, which entails additional costs for their disposal or disposal. This complicates and increases the cost of technology.
- Поскольку авторы способа-прототипа пишут о применении классического метода Хаммерса, нитрат натрия, вероятно, применяли, что влечет появление трудноулавливаемых отходов нитратов в отходах производства, а также, указанные выше проблемы, связанные с появлением токсичных паров азотной кислоты и диоксида азота.- Since the authors of the prototype method write about the application of the classical Hammers method, sodium nitrate was probably used, which leads to the appearance of hard-to-catch waste nitrates in production waste, as well as the above problems associated with the appearance of toxic fumes of nitric acid and nitrogen dioxide.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототип) является способ получения восстановленного оксида графена, описанный в патенте США [United States Patent 9815701. Synthesis of reduced graphene oxide nanoparticles. Nov. 14, 2017]. Согласно прототипу, синтез наночастиц восстановленного оксида графена включает следующие стадии:Closest to the claimed invention (prototype) is a method for producing reduced graphene oxide described in US patent [United States Patent 9815701. Synthesis of reduced graphene oxide nanoparticles. Nov. 14, 2017]. According to the prototype, the synthesis of nanoparticles of reduced graphene oxide includes the following stages:
- смешивание углеродной сажи с кислотой;- mixing carbon black with acid;
- постепенное добавление в этот раствор первого окислителя для окисления исходного углеродного материала с получением суспензии;- the gradual addition of the first oxidizing agent to this solution to oxidize the starting carbon material to form a suspension;
- перемешивание суспензии при температуре 35°С с последующим повышением температуры до приблизительно 60°С;- stirring the suspension at a temperature of 35 ° C followed by a rise in temperature to approximately 60 ° C;
- добавление к полученному раствору (суспензии) воды;- adding to the resulting solution (suspension) of water;
- добавление в суспензию второго окислителя при перемешивании, в результате чего образуются наночастицы восстановленного оксида графена.- adding a second oxidizing agent to the suspension with stirring, resulting in the formation of reduced graphene oxide nanoparticles.
В качестве кислоты применяют серную кислоту с добавкой фосфорной кислоты. В качестве первого и второго окислителя применяют соответственно перманганат калия и перекись водорода.Sulfuric acid with the addition of phosphoric acid is used as the acid. Potassium permanganate and hydrogen peroxide are used respectively as the first and second oxidizing agents.
Из описания примера 1 способа-прототипа следует, что фактически технологический процесс согласно способу-прототипу ничем не отличается от одного из известных вариантов метода Хаммерса, за исключением того, что в качестве исходного углеродного материала применяется углеродная сажа вместо графита. Следует отметить, что перекись водорода, которая вводится в реакционную смесь после окисления исходного углеродного материала перманганатом калия в среде кислоты, после разбавления реакционной смеси водой, не является окислителем, как ошибочно утверждают авторы изобретения-прототипа. В данном случае, перекись водорода добавляют для восстановления диоксида марганца до сульфата двухвалентного марганца. При этом перекись водорода окисляется диоксидом марганца с выделением молекулярного кислорода.From the description of example 1 of the prototype method, it follows that in fact the technological process according to the prototype method is no different from one of the known variants of the Hammers method, except that carbon black instead of graphite is used as the starting carbon material. It should be noted that hydrogen peroxide, which is introduced into the reaction mixture after oxidation of the starting carbon material with potassium permanganate in an acid medium, after dilution of the reaction mixture with water, is not an oxidizing agent, as the authors of the prototype invention erroneously claim. In this case, hydrogen peroxide is added to reduce manganese dioxide to sulphate of divalent manganese. In this case, hydrogen peroxide is oxidized by manganese dioxide with the release of molecular oxygen.
Недостатками известного способа являются следующие.The disadvantages of this method are as follows.
Применение углеродной сажи вместо графита не позволяет получить качественный оксид графена, поскольку сажа не способна интеркалироваться и разделяться на слои окисленного графена. Фактически, из рентгеновской дифрактограммы продукта, приведенной в описании способа-прототипа, следует, что полученный продукт является окисленной формой малоупорядоченного углерода, а вовсе не оксидом графена. Действительно, если мы посмотрим на приведенную в этом патенте рентгеновскую дифрактограмму, то максимум при 2 Θ=25 град и при указанной на рисунке длине волны излучения λ=0,154060 нм, соответствует, по известной формуле Вульфа-Брэгга (2dsinΘ=nλ), межслоевому расстоянию d=0,3948 нм. Это немногим больше, чем межслоевое расстояние в графите (d=0,3354 нм), и указывает на весьма несовершенную структуру углеродного скелета с графено-подобными фрагментами. В качественном оксиде графена это межслоевое расстояние значительно больше, обычно в пределах d=0,9-1,4 нм, потому-то окисленные графеновые слои в оксиде графена легко разделяются в воде и полярных растворителях. Ничего подобного продукте, получаемом по патенту-прототипу, не имеется.The use of carbon black instead of graphite does not allow to obtain high-quality graphene oxide, since the soot is not able to intercalate and separate into layers of oxidized graphene. In fact, from the x-ray diffraction pattern of the product described in the description of the prototype method, it follows that the obtained product is an oxidized form of low-order carbon, and not graphene oxide at all. Indeed, if we look at the X-ray diffraction pattern shown in this patent, then the maximum at 2 Θ = 25 degrees and at the radiation wavelength λ = 0.154060 nm indicated in the figure corresponds, according to the well-known Wulf-Bragg formula (2dsinΘ = nλ), interlayer distance d = 0.3948 nm. This is slightly larger than the interlayer distance in graphite (d = 0.3354 nm), and indicates a very imperfect structure of the carbon skeleton with graphene-like fragments. In high-quality graphene oxide, this interlayer distance is much larger, usually within d = 0.9-1.4 nm, because the oxidized graphene layers in graphene oxide are easily separated in water and polar solvents. Nothing like the product obtained by the patent prototype, is not available.
Очевидно также, что, за исключением применяемого исходного углеродного материала, способ-прототип идентичен известному методу Хаммерса, со всеми его недостатками. В частности, даже при использовании кристаллического графита в качестве исходного углеродного материала, известный способ дает продукт, содержащий значительную примесь недоокисленного графита.It is also obvious that, with the exception of the starting carbon material used, the prototype method is identical to the well-known Hammers method, with all its disadvantages. In particular, even when using crystalline graphite as the starting carbon material, the known method provides a product containing a significant admixture of under-oxidized graphite.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача, путем изменения применяемых реагентов и выбора технологических режимов, создать экологически чистую технологию получения качественного оксида графена, пригодную для промышленного производства с минимальными затратами.The basis of the claimed invention is the task, by changing the reagents used and the choice of technological modes, to create an environmentally friendly technology for the production of high-quality graphene oxide, suitable for industrial production with minimal cost.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения оксида графена, включающем обработку углеродного материала первым окислителем (перманганатом калия) в среде концентрированной серной кислоты, разбавление реакционной смеси водой, затем обработку вторым окислителем (перекисью водорода) и промывку полученного углеродсодержащего продукта окисления раствором кислоты, затем водой, в заявляемом способе в качестве углеродного материала используют графит, а перед обработкой перманганатом калия графит дополнительно обрабатывают раствором перекиси водорода в серной кислоте, причем количество перекиси водорода берут от 0,15 до 0,30 масс.ч. на 1 масс.ч. графита в пересчете на 100%-ную перекись водорода.The problem is solved in that in a method for producing graphene oxide, comprising treating a carbon material with a first oxidizing agent (potassium permanganate) in a concentrated sulfuric acid medium, diluting the reaction mixture with water, then treating with a second oxidizing agent (hydrogen peroxide) and washing the obtained carbon-containing oxidation product with an acid solution, then with water, in the inventive method, graphite is used as a carbon material, and before treatment with potassium permanganate, graphite is additionally treated with thief hydrogen peroxide in sulfuric acid, the amount of hydrogen peroxide charge of from 0.15 to 0.30 phr for 1 mass.h. graphite in terms of 100% hydrogen peroxide.
При этом оптимальным является проведение процесса при регулируемом содержании воды в реакционной смеси постадийно в соответствии со следующей схемой:In this case, it is optimal to carry out the process at a controlled water content in the reaction mixture in stages in accordance with the following scheme:
- на первой стадии обработки графита перекисью водорода рассчитывают количества реагентов таким образом, чтобы общая концентрация свободной воды в реакционной смеси не превышала 0,5% с учетом воды, образующейся в реакции H2O2+H2SO4=H2SO5+H2O;- at the first stage of processing graphite with hydrogen peroxide, the amounts of reagents are calculated so that the total concentration of free water in the reaction mixture does not exceed 0.5%, taking into account the water formed in the reaction H 2 O 2 + H 2 SO 4 = H 2 SO 5 + H 2 O;
- на второй стадии в реакционную смесь добавляют воду в таком количестве, чтобы концентрация свободной воды стала близкой к 2%;- in the second stage, water is added to the reaction mixture in such an amount that the concentration of free water becomes close to 2%;
- на третьей стадии в систему добавляют перманганат калия при сохранении концентрации свободной воды второй стадии;- at the third stage, potassium permanganate is added to the system while maintaining the concentration of free water of the second stage;
- на четвертой стадии добавляют в реакционную смесь воду в количестве, обеспечивающем концентрацию свободной воды близкой к 5%.- in the fourth stage, water is added to the reaction mixture in an amount providing a concentration of free water close to 5%.
Здесь необходимо пояснение, касающееся предполагаемых механизмов происходящих реакций. Из уровня техники известно, что реакция графита с пероксомоносерной кислотой, H2SO5, взятой в виде раствора в серной кислоте, приводит к быстрой эксфолиации графита со значительным увеличением кажущегося объема. Пероксодисерная кислота также реагирует с графитом с его эксфолиацией, однако, процесс эксфолиации с пероксодисерной кислотой происходит значительно медленнее. Впервые эти эффекты были описаны в работе [Мележик А.В., Чуйко А.А. Холодное расширение графита - путь к новым технологиям // Химическая Технология (Киев), 1992, №2, с. 3-11]. Перекись водорода сама по себе с графитом не реагирует.Потому для быстрой и эффективной эксфолиации графита на первой стадии необходимо создать условия, при которых добавленная в серную кислоту перекись водорода превращается в пероксо-моносерную кислоту согласно уравнению реакции:An explanation is needed here regarding the proposed mechanisms of the reactions. It is known from the prior art that the reaction of graphite with peroxomonosulfuric acid, H 2 SO 5 , taken as a solution in sulfuric acid, leads to rapid exfoliation of graphite with a significant increase in apparent volume. Peroxodisulfuric acid also reacts with graphite with its exfoliation, however, the process of exfoliation with peroxodisulfuric acid is much slower. For the first time, these effects were described in [Melezhik A.V., Chuyko A.A. Cold expansion of graphite - the path to new technologies // Chemical Technology (Kiev), 1992, No. 2, p. 3-11]. Hydrogen peroxide itself does not react with graphite. Therefore, for the fast and efficient exfoliation of graphite in the first stage, it is necessary to create conditions under which hydrogen peroxide added to sulfuric acid is converted to peroxonosulfuric acid according to the reaction equation:
Экспериментально установлено, что равновесие реакции (1) сдвинуто вправо, если серная кислота присутствует в избытке и содержание свободной воды в ней менее 0,5%. Для этого необходимо брать достаточно концентрированную перекись водорода (не менее 50%, предпочтительно 60%, перекиси водорода с большей концентрацией в свободной продаже не имеется) и достаточно большой избыток безводной серной кислоты.It was experimentally established that the equilibrium of reaction (1) is shifted to the right if sulfuric acid is present in excess and the content of free water in it is less than 0.5%. For this, it is necessary to take a sufficiently concentrated hydrogen peroxide (at least 50%, preferably 60%, hydrogen peroxide with a higher concentration is not commercially available) and a sufficiently large excess of anhydrous sulfuric acid.
Так, при использовании 60%-ной перекиси водорода в заявляемом интервале массового соотношения Н2О2 к графиту применение безводной (100%) серной кислоты в количестве, указанном далее в примерах реализации изобретения, обеспечивает практически полное превращение перекиси водорода в пероксомоносерную кислоту и эффективную эксфолиацию графита. Для реализации заявляемого изобретения можно применять и более разбавленную перекись водорода, например, 30-50%-ную, однако при этом к 100%-ной серной кислоте понадобится добавить некоторое количество олеума для связывания излишней воды. Необходимое количество олеума можно рассчитать согласно уравнению реакции:So, when using 60% hydrogen peroxide in the claimed range of the mass ratio of H 2 O 2 to graphite, the use of anhydrous (100%) sulfuric acid in the amount indicated below in the examples of the invention provides almost complete conversion of hydrogen peroxide to peroxomonosulfuric acid and effective exfoliation of graphite. To implement the claimed invention, it is possible to use a more dilute hydrogen peroxide, for example, 30-50%, but at the same time, a certain amount of oleum will need to be added to 100% sulfuric acid to bind excess water. The required amount of oleum can be calculated according to the reaction equation:
Расчет необходимого количества компонентов согласно уравнениям реакций (1) и (2) может выполнить любой химик со средним образованием. Однако, практически, учитывая доступность 60%-ной перекиси водорода на рынке, целесообразно применять именно ее, при этом нет необходимости добавлять олеум или рассчитывать его количество. Может быть применена и перекись водорода большей концентрации, однако, она опасна в обращении и в свободную продажу не поступает.The calculation of the required number of components according to the equations of reactions (1) and (2) can be performed by any chemist with a secondary education. However, in practice, given the availability of 60% hydrogen peroxide on the market, it is advisable to use it, with no need to add oleum or calculate its amount. Hydrogen peroxide of higher concentration can also be used, however, it is dangerous to handle and does not go on sale.
Далее в примерах реализации изобретения количества применяемых реагентов приведены в расчете на применение 60%-ной перекиси водорода. Если применяется перекись водорода другой концентрации, следует пересчитать количество добавляемой на различных стадиях воды, что может легко сделать любой специалист-химик.Further, in the examples of the invention, the amounts of reagents used are given based on the use of 60% hydrogen peroxide. If hydrogen peroxide of a different concentration is used, the amount of water added at different stages should be recalculated, which can be easily done by any specialist chemist.
Далее приводятся данные, доказывающие возможность осуществления заявляемого способа и его эффективность.The following are data proving the feasibility of the proposed method and its effectiveness.
Для осуществления изобретения применялись следующие исходные вещества.The following starting materials were used to carry out the invention.
ГрафитGraphite
Качество получаемого оксида графена в большой степени зависит от качества исходного графита. Предпочтительно применять высокочистый графит с хорошей кристаллической структурой, предпочтительно не мелкую пыль, а по возможности крупные чешуйки, порядка 0,1-0,5 мм. Очень хорошо показал себя графит специальный малозольный советского производства марки ГСМ-1 (99,9% углерода). Однако, он сейчас не выпускается. Предпочтительно, чтобы графит содержал как можно меньше мелкой (пылевидной) фракции, которая может иметь дефектную кристаллическую структуру и плохо интеркалироваться. Наши опыты показали, что для реализации заявляемого изобретения вполне пригоден графит специальный малозольный ГСМ-2 по ГОСТ 17022-81, содержащий до 0,5% золы. Перекись водородаThe quality of the graphene oxide obtained largely depends on the quality of the starting graphite. It is preferable to use high-purity graphite with a good crystalline structure, preferably not fine dust, but possibly large flakes, of the order of 0.1-0.5 mm. Graphite proved to be very good in special low-ash Soviet-made fuel grade GSM-1 (99.9% carbon). However, it is not being released now. It is preferable that the graphite contains as little as possible fine (pulverulent) fraction, which may have a defective crystalline structure and poorly intercalate. Our experiments have shown that for the implementation of the claimed invention graphite special low-ash fuel and lubricants GSM-2 according to GOST 17022-81 containing up to 0.5% ash is quite suitable. Hydrogen peroxide
Применяется 60%-ная перекись водорода, доступная на рынке. Ее плотность равна 1,2505 г/см3.60% hydrogen peroxide available on the market is used. Its density is 1.2505 g / cm 3 .
Серная кислотаSulfuric acid
В свободной продаже 100%-ная серная кислота (моногидрат) отсутствует, потому что она замерзает при +10°С и ее транспортировка в холодную погоду невозможна. Потому приходится приготавливать ее на месте. Для этого к обычной концентрированной серной кислоте марки ХЧ, содержащей около 5% свободной воды, добавляют рассчитанное количество олеума с известным содержанием SO3 (обычно 24% в техническом олеуме или 60% в олеуме марки ХЧ). Точку стехиометрии можно с большой точностью контролировать по наличию или отсутствию дымления кислоты при соприкосновении с влагой воздуха [А. Гордон, Р. Форд. Спутник химика. М., «Мир», 1976. - С. 442]. Согласно цитируемой работе, этот простой метод позволяет регулировать состав серной кислоты с точностью +_0,02% по воде. Если серная кислоты является моногидратом или содержит воду, она не дымит. Если же содержит даже очень малое количество свободного SO3, при контакте с влажным воздухом появляется хорошо различимый дымок. Перманганат калияIn free sale, 100% sulfuric acid (monohydrate) is absent because it freezes at + 10 ° C and its transportation in cold weather is impossible. Because you have to cook it on the spot. To this end, a calculated amount of oleum with a known SO 3 content (usually 24% in technical oleum or 60% in oleum of grade XC) is added to ordinary concentrated sulfuric acid of the grade ChC, containing about 5% free water. The stoichiometry point can be accurately controlled by the presence or absence of acid smoke when in contact with air moisture [A. Gordon, R. Ford. Companion chemist. M., "World", 1976. - S. 442]. According to the cited work, this simple method allows you to adjust the composition of sulfuric acid with an accuracy of + _0.02% for water. If sulfuric acid is monohydrate or contains water, it does not smoke. If it contains even a very small amount of free SO 3 , a faint smoke appears upon contact with moist air. Potassium permanganate
Применяли марки ЧДА, в виде мелких кристаллов. Если присутствуют непрочные комки, их необходимо размять через полиэтиленовую пленку. Наличие большого количества прочных комков говорит о том, что перманганат калия не соответствует стандарту или же хранился в неподходящих условиях. Такой перманганат применять не следует.ChDA brands were used in the form of small crystals. If fragile lumps are present, they must be kneaded through plastic wrap. The presence of a large number of durable lumps indicates that potassium permanganate does not meet the standard or was stored under inappropriate conditions. Such permanganate should not be used.
ОборудованиеEquipment
Применяли заводской реактор из нержавеющей стали с объемом рабочей зоны около 30 л, снабженный мешалкой, термостатирующей рубашкой и дозирующими устройствами для загрузки/выгрузки твердых и жидких компонентов.A factory stainless steel reactor with a working zone volume of about 30 l was used, equipped with a stirrer, a thermostatic jacket and metering devices for loading / unloading solid and liquid components.
Фильтрацию продукта и промывку раствором серной кислоты проводили на фильтре из нетканого полипропиленового материала.Filtration of the product and washing with a solution of sulfuric acid was carried out on a filter of nonwoven polypropylene material.
Удаление серной кислоты из суспензии оксида графена проводили путем обработки в барабанном диализаторе.The removal of sulfuric acid from a suspension of graphene oxide was carried out by treatment in a drum dialyzer.
Остальное оборудование и вспомогательные устройства были стандартными.The rest of the equipment and accessories were standard.
Пример 1Example 1
В сухой и чистый реактор при комнатной температуре заливают 6,00 л 100% серной кислоты и загружают 200 г графита ГСМ-2. Закрывают реактор крышкой с присоединенной мешалкой. Включают мешалку.6.00 L of 100% sulfuric acid is poured into a dry and clean reactor at room temperature and 200 g of GSM-2 graphite are charged. Close the reactor with a lid with an attached stirrer. Turn on the stirrer.
На первой стадии при непрерывно работающей мешалке в реактор тонкой струей через капиллярную трубку вливают 60 мл 60%-ной перекиси водорода (плотность 1,2505 г/см3, 60 мл=75,03 г) и реакционную смесь перемешивают в течение 1 часа.In the first stage, with a continuously working stirrer, 60 ml of 60% hydrogen peroxide (density 1.2505 g / cm 3 , 60 ml = 75.03 g) are poured into the reactor with a thin stream through a capillary tube and the reaction mixture is stirred for 1 hour.
На второй стадии в реакционную смесь добавляют 166 мл воды с помощью дозатора тонкой струей через капиллярную трубку, и перемешивают еще в течение 30 мин.In the second stage, 166 ml of water are added to the reaction mixture with a fine jet dispenser through a capillary tube and stirred for another 30 minutes.
На третьей стадии загружают в реактор 600 г перманганата калия на протяжении 3 часов, температуру на протяжении введения всего перманганата калия поддерживают при 20°С. После загрузки всего перманганата калия перемешивание при 20°С продолжают еще 1 час.In the third stage, 600 g of potassium permanganate are loaded into the reactor for 3 hours; the temperature during the introduction of all potassium permanganate is maintained at 20 ° C. After loading all potassium permanganate, stirring at 20 ° C. is continued for another 1 hour.
На четвертой стадии к реакционной смеси при непрерывном перемешивании в течение 40 мин добавляют 331 мл дистиллированной воды. В таком виде оставляют реактор с реакционной смесью на ночь, поскольку выполнение всех перечисленных выше технологических операций занимает полную рабочую смену.In a fourth step, 331 ml of distilled water is added to the reaction mixture with continuous stirring over 40 minutes. In this form, leave the reactor with the reaction mixture overnight, since the implementation of all of the above technological operations takes a full shift.
На следующий день включают мешалку и медленно приливают в реактор 24 л воды со скоростью, исключающей превышение температуры реакционной смеси выше 60°С.The next day, turn on the stirrer and slowly pour 24 l of water into the reactor at a rate that excludes the temperature of the reaction mixture exceeding 60 ° C.
После этого в реактор при непрерывном перемешивании добавляют 1 л 60%-ной перекиси водорода, при этом цвет реакционной смеси переходит из коричневого в золотисто-желтый, что связано с восстановлением диоксида марганца перекисью водорода.After that, 1 liter of 60% hydrogen peroxide is added to the reactor with continuous stirring, while the color of the reaction mixture changes from brown to golden yellow, which is associated with the reduction of manganese dioxide with hydrogen peroxide.
Полученная реакционная смесь представляет собой суспензию объемом приблизительно 32 л, содержащую блестящие чешуйки золотистого цвета. Эту суспензию выливают на полипропиленовый фильтр, фильтруют и промывают раствором серной кислоты концентрацией 1 моль/л (=9,2%). Промывку ведут до полного удаления сульфата марганца из суспензии. Для тестирования полноты отмывки к пробе фильтрата добавляют водный аммиак или раствор щелочи до щелочной реакции. Образование черного или бурого осадка, или помутнение свидетельствует о наличии сульфата марганца. Когда промывка доведена до конца, проба фильтрата после подщелачивания остается совершенно прозрачной и бесцветной.The resulting reaction mixture was a suspension of approximately 32 L containing shiny golden flakes. This suspension was poured onto a polypropylene filter, filtered and washed with 1 mol / L sulfuric acid solution (= 9.2%). Washing is carried out until the manganese sulfate is completely removed from the suspension. To test the completeness of washing, aqueous ammonia or an alkali solution is added to the filtrate sample until an alkaline reaction. The formation of a black or brown precipitate, or turbidity indicates the presence of manganese sulfate. When washing is completed, the filtrate sample after alkalization remains completely transparent and colorless.
Количество 1М серной кислоты, необходимое для полной промывки, зависит от режима фильтрации, но ориентировочно составляет 30-35 л. Следует отметить, что продукт после выгрузки нельзя промывать сразу водой, потому что оксид графена в воде, не содержащей кислоты, легко расслаивается с образованием геля, который закупоривает фильтр и фильтрация воды происходит чрезвычайно медленно.The amount of 1M sulfuric acid required for a complete flush depends on the filtration mode, but is approximately 30-35 liters. It should be noted that the product cannot be washed immediately with water after unloading, because graphene oxide in acid-free water easily exfoliates to form a gel that clogs the filter and the water is filtered extremely slowly.
Полученный продукт, содержащий некоторое количество серной кислоты, отмывают от кислоты с применением диализатора барабанного типа, после чего добавлением воды концентрацию оксида графена доводят до стандартной концентрации. Наиболее удобная концентрация для различных применений составляет 0,5% в расчете на исходный графит. То есть, если загрузка графита в реактор была 200 г, конечный продукт доводят водой до общей массы 40 кг и тщательно перемешивают. Следует отметить, что концентрацию удобнее приводить в расчете на исходный графит, потому что оксид графена не имеет постоянного состава, кроме того, его сухая масса зависит от влажности воздуха.The resulting product containing a certain amount of sulfuric acid is washed from the acid using a drum-type dialyzer, after which the concentration of graphene oxide is adjusted to a standard concentration by adding water. The most convenient concentration for various applications is 0.5% based on the initial graphite. That is, if the loading of graphite in the reactor was 200 g, the final product was adjusted with water to a total weight of 40 kg and mixed thoroughly. It should be noted that the concentration is more convenient for calculating the starting graphite, because graphene oxide does not have a constant composition, in addition, its dry mass depends on air humidity.
При высушивании водная дисперсия оксида графена образует гибкую прозрачную пленку, красно-коричневого цвета на просвет. При быстром нагревании до 200-250°С это вещество вспыхивает и превращается в высокодисперсный углерод.When dried, the aqueous dispersion of graphene oxide forms a flexible transparent film, reddish-brown in light. When rapidly heated to 200-250 ° C, this substance flares up and turns into highly dispersed carbon.
В производстве оксида графена согласно заявляемому изобретению образуются сточные воды, содержащие серную кислоту, сульфат калия и сульфат марганца. Для их утилизации добавляют аммиак до слабощелочной реакции и затем небольшое количество перекиси водорода для окисления выпадающего гидроксида двухвалентного марганца до гидроксида четырехвалентного марганца. Гидроксид четырехвалентного марганца отделяют фильтрацией, и его можно использовать как химический реактив для различных целей (например, в качестве деполяризатора в химических источниках тока). В растворе содержится сульфат аммония с небольшим количеством сульфата калия. Этот раствор можно использовать как удобрение в сельском хозяйстве.In the production of graphene oxide according to the claimed invention, wastewater is formed containing sulfuric acid, potassium sulfate and manganese sulfate. To utilize them, ammonia is added to a slightly alkaline reaction and then a small amount of hydrogen peroxide is used to oxidize the precipitated divalent manganese hydroxide to tetravalent manganese hydroxide. The tetravalent manganese hydroxide is separated by filtration, and it can be used as a chemical reagent for various purposes (for example, as a depolarizer in chemical current sources). The solution contains ammonium sulfate with a small amount of potassium sulfate. This solution can be used as fertilizer in agriculture.
Теоретически, серную кислоту можно регенерировать, без ее нейтрализации аммиаком, путем упаривания. Целесообразность того или иного способа утилизации определяется экономическими соображениями.Theoretically, sulfuric acid can be regenerated, without neutralizing it with ammonia, by evaporation. The appropriateness of a particular disposal method is determined by economic considerations.
На фиг. 1 приведена рентгеновская дифрактограмма воздушно-сухой пленки оксида графена, полученного согласно примеру 1. Как видно, полоса, соответствующая графиту (межслоевое расстояние 0,3354 нм, что соответствует 2teta=39,94° при длине волны рентгеновского излучения 2,29091 А) отсутствует, что свидетельствует о полноте окисления графита. Наблюдаемая интенсивная полоса с максимумом при 2teta=9,28° соответствует межслоевому расстоянию 1,416 нм. В разных литературных источниках межслоевое расстояние для оксида графена варьирует в широких пределах, 0,6-1,2 нм в зависимости от степени окисления графита и влажности образца. Судя по наблюдаемому нами межслоевому расстоянию, полученный оксид графена имеет достаточно высокую степень окисления.In FIG. 1 shows an X-ray diffraction pattern of an air-dry film of graphene oxide obtained according to Example 1. As can be seen, the strip corresponding to graphite (interlayer distance 0.3354 nm, which corresponds to 2teta = 39.94 ° at an X-ray wavelength of 2.29091 A) is absent , which indicates the completeness of the oxidation of graphite. The observed intense band with a maximum at 2teta = 9.28 ° corresponds to an interlayer distance of 1.416 nm. In various literature sources, the interlayer distance for graphene oxide varies widely, 0.6-1.2 nm, depending on the degree of oxidation of graphite and the moisture content of the sample. Judging by the observed interlayer distance, the obtained graphene oxide has a rather high oxidation state.
Таким образом, очевидно, что в заявляемом изобретении полнота окисления графита перманганатом калия в серной кислоте без добавки нитрата достигается за счет предварительной эксфолиации графита при его взаимодействии с пероксомоносерной кислотой, которая, в свою очередь, образуется в реакции перекиси водорода с серной кислотой при минимальном содержании свободной воды в системе. Этим заявляемое изобретение отличается от способа-прототипа, в котором при обработке графита перекисным соединением в серной кислоте происходит только окислительное интеркалирование графита, а частичная эксфолиация происходит уже при гидролизе и промывке водой. При этом, степень эксфолиации невелика.Thus, it is obvious that in the claimed invention, the completeness of the oxidation of graphite with potassium permanganate in sulfuric acid without the addition of nitrate is achieved by preliminary exfoliation of graphite during its interaction with peroxomonosulfuric acid, which, in turn, is formed in the reaction of hydrogen peroxide with sulfuric acid with a minimum content free water in the system. This, the claimed invention differs from the prototype method, in which, when the graphite is treated with a peroxide compound in sulfuric acid, only oxidative intercalation of graphite occurs, and partial exfoliation occurs already during hydrolysis and washing with water. Moreover, the degree of exfoliation is small.
Для того, чтобы выяснить пределы массового соотношения перекиси водорода к графиту, при которых происходит эффективная эксфолиация графита, была проведена серия экспериментов, в которых суспензию графита в 100% серной кислоте обрабатывали различными количествами 60%-ной перекиси водорода, которая в данных условиях превращалась в пероксомоносерную кислоту. В этих опытах соотношение серной кислоты к графиту было постоянным, а именно, 75 мл 100% серной кислоты на 2,5 г графита, что соответствует соотношению в примере 1. Реакционную смесь выдерживали в течение 1 ч при 60°С до завершения расширения интеркалированного графита. Степень расширения (эксфолиации) оценивали по кажущемуся объему всплывшего слоя расширенного соединения графита (без перемешивания оно всплывало вследствие наличия пор, содержащих газообразный кислород). Было найдено, что кажущийся объем слоя расширенного соединения графита увеличивается с увеличением количества перекиси водорода (соответственно, пероксомоносерной кислоты), данные приведены в таблице.In order to find out the limits of the mass ratio of hydrogen peroxide to graphite at which graphite exfoliates effectively, a series of experiments was carried out in which a suspension of graphite in 100% sulfuric acid was treated with various amounts of 60% hydrogen peroxide, which under these conditions turned into peroxomonosulfuric acid. In these experiments, the ratio of sulfuric acid to graphite was constant, namely, 75 ml of 100% sulfuric acid per 2.5 g of graphite, which corresponds to the ratio in example 1. The reaction mixture was kept for 1 h at 60 ° C until the expansion of intercalated graphite was completed. . The degree of expansion (exfoliation) was estimated by the apparent volume of the floating layer of the expanded graphite compound (without stirring, it floated due to the presence of pores containing oxygen gas). It was found that the apparent volume of the expanded graphite compound layer increases with an increase in the amount of hydrogen peroxide (respectively, peroxomonosulfuric acid), the data are shown in the table.
Таблица.Table.
Зависимость кажущегося объема слоя расширенного соединения графита в системе графит -H2SO5-H2SO4 от массового соотношения перекисного соединения к графиту, причем, перекисное соединение пересчитано на массу 100%-ной H2O2.The dependence of the apparent volume of the layer of the expanded graphite compound in the graphite system —H 2 SO 5 —H 2 SO 4 on the mass ratio of the peroxide compound to graphite, moreover, the peroxide compound is converted to the mass of 100% H 2 O 2 .
При этом массовое соотношение Н2О2 к графиту в опыте №2 соответствует синтезу ОГ по примеру 1.The mass ratio of H 2 O 2 to graphite in experiment No. 2 corresponds to the synthesis of exhaust gas according to example 1.
Из таблицы видно, что кажущийся объем слоя расширенного соединения графита, образующегося в реакции графита с пероксомоносерной кислотой, растет приблизительно пропорционально массовому соотношению Н2О2 к графиту. Чем больше этот объем, тем эффективнее происходит эксфолиация графита, а значит, тем более полным будет последующее окисление расширенного графитового вещества перманганатом калия. Однако, следует учитывать технологические ограничения. Реакционная масса должна легко перемешиваться. При соотношении Н2О2 к графиту, равном 0,225 (опыт №2, = пример 1) суспензия жидкая и легко перемешивается, таким образом, это соотношение можно считать оптимальным. При массовом соотношении Н2О2 к графиту, равном 0,300 (опыт 3) систему еще можно перемешивать. Однако, уже при массовом соотношении Н2О2 к графиту, равном 0,375 (опыт 4) система представляет собой настолько густую пасту, что работать с ней, ввести в нее и равномерно перемешать какие-либо реагенты, практически невозможно. Конечно, можно увеличить количество серной кислоты в системе, чтобы разбавить эту пасту и сделать ее текучей. Однако, увеличение количества серной кислоты приводит к неоправданному увеличению затрат как на сам синтез, так и на последующую утилизацию отходов. Поэтому мы считаем массовое соотношение H2O2 к графиту, равное 0,300, как верхний практически приемлемый предел.The table shows that the apparent volume of the layer of expanded graphite compounds formed in the reaction of graphite with peroxomonosulfuric acid increases approximately in proportion to the mass ratio of H 2 O 2 to graphite. The larger this volume, the more efficient the exfoliation of graphite occurs, which means that the subsequent oxidation of the expanded graphite substance with potassium permanganate will be more complete. However, technological limitations should be considered. The reaction mass should be easily mixed. When the ratio of H 2 About 2 to graphite, equal to 0.225 (experiment No. 2, = example 1), the suspension is liquid and easily mixed, so this ratio can be considered optimal. With a mass ratio of H 2 O 2 to graphite equal to 0.300 (experiment 3), the system can still be mixed. However, even with a mass ratio of H 2 O 2 to graphite equal to 0.375 (experiment 4), the system is such a thick paste that it is almost impossible to work with it, introduce into it and evenly mix any reagents. Of course, you can increase the amount of sulfuric acid in the system to dilute this paste and make it fluid. However, an increase in the amount of sulfuric acid leads to an unjustified increase in the costs of both the synthesis itself and the subsequent disposal of waste. Therefore, we consider the mass ratio of H 2 O 2 to graphite equal to 0.300 as the upper practically acceptable limit.
Что касается нижнего предела массового соотношения Н2О2 к графиту, можно принять его равным 0,150 (опыт 1), при котором еще наблюдается значительное расширение (эксфолиация) графита. Уменьшать дальше это соотношение не целесообразно, потому что мы потеряем качество продукта, а экономить на дешевой перекиси водорода нет смысла.As for the lower limit of the mass ratio of H 2 O 2 to graphite, we can take it equal to 0.150 (experiment 1), at which significant expansion (exfoliation) of graphite is still observed. Further reducing this ratio is not advisable, because we will lose the quality of the product, and there is no point in saving on cheap hydrogen peroxide.
Технологический процесс получения оксида графена согласно заявляемому изобретению легко масштабируется, получаемый продукт может найти широкое применение в технике и технологии.The process for producing graphene oxide according to the claimed invention is easily scalable, the resulting product can be widely used in engineering and technology.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134006A RU2709594C1 (en) | 2018-09-26 | 2018-09-26 | Graphene oxide production method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018134006A RU2709594C1 (en) | 2018-09-26 | 2018-09-26 | Graphene oxide production method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2709594C1 true RU2709594C1 (en) | 2019-12-18 |
Family
ID=69007040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018134006A RU2709594C1 (en) | 2018-09-26 | 2018-09-26 | Graphene oxide production method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2709594C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2783099C2 (en) * | 2021-03-24 | 2022-11-08 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАДИОЛОГИИ И ХИРУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ АКАДЕМИКА А.М. ГРАНОВА" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ / ФГБУ "РНЦРХТ им. академика А.М. Гранова" Минздрава России | Method for scaling synthesis of graphene oxide |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120129736A1 (en) * | 2009-05-22 | 2012-05-24 | William Marsh Rice University | Highly oxidized graphene oxide and methods for production thereof |
CN106915741A (en) * | 2017-04-11 | 2017-07-04 | 深圳市佩成科技有限责任公司 | The preparation method of improved graphene oxide |
US9815701B1 (en) * | 2017-02-24 | 2017-11-14 | King Saud University | Synthesis of reduced graphene oxide nanoparticles |
RU2648892C2 (en) * | 2016-02-24 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") | Method for production of graphene-containing materials and device for carrying it out |
-
2018
- 2018-09-26 RU RU2018134006A patent/RU2709594C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120129736A1 (en) * | 2009-05-22 | 2012-05-24 | William Marsh Rice University | Highly oxidized graphene oxide and methods for production thereof |
RU2648892C2 (en) * | 2016-02-24 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") | Method for production of graphene-containing materials and device for carrying it out |
US9815701B1 (en) * | 2017-02-24 | 2017-11-14 | King Saud University | Synthesis of reduced graphene oxide nanoparticles |
CN106915741A (en) * | 2017-04-11 | 2017-07-04 | 深圳市佩成科技有限责任公司 | The preparation method of improved graphene oxide |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
NINA I. KOVTYUKHOVA et al. Layer-by-Layer Assembly of Ultrathin Composite Films from Micron-Sized Graphite Oxide Sheets and Polycations, Chem. Mater., 1999, v. 11, p.p. 771-778. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2783099C2 (en) * | 2021-03-24 | 2022-11-08 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАДИОЛОГИИ И ХИРУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ АКАДЕМИКА А.М. ГРАНОВА" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ / ФГБУ "РНЦРХТ им. академика А.М. Гранова" Минздрава России | Method for scaling synthesis of graphene oxide |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yakovlev et al. | Thermally expanded graphite: Synthesis, properties, and prospects for use | |
US4091083A (en) | Method for the production of graphite-hydrogensulfate | |
CN105129790B (en) | A kind of method that graphene oxide is prepared under condition of supercritical water | |
CN106082147B (en) | The method that a kind of liquid phase chemical stripping of stabilization prepares boron nitride nanosheet | |
KR20060127408A (en) | Purification method of carbon nanotubes formed on the refractory oxide support | |
US9840418B2 (en) | Production of graphene nanoplatelets by oxidative anhydrous acidic media | |
CA2016345C (en) | Mcroporous zircone and process for preparation thereof | |
EA022615B1 (en) | Galvanic waste sludge treatment and manufacturing of nano-sized iron oxides | |
RU2709594C1 (en) | Graphene oxide production method | |
Zhao et al. | Efficient degradation of phenol by MnOOH-rGO composite with high peroxymonosulfate utilization efficiency | |
CN106587045B (en) | Production process of graphene oxide | |
KR20120031624A (en) | Method for reforming the surface of carbon nanotube by oxidizing agent | |
US5683671A (en) | Process for purifying sulfuric acid | |
Lerf | Graphite oxide story–from the beginning till the graphene hype | |
US4248851A (en) | Promoted oxidation of aqueous ferrous chloride solution | |
US3515515A (en) | Process of reducing phosphorus content of sludge obtained as a byproduct of phosphorus manufacture | |
CN110697698A (en) | Graphene oxide and preparation method thereof | |
CN110171851B (en) | One-dimensional manganese dioxide material and preparation method and application thereof | |
KR102249622B1 (en) | Graphite oxide by kneading and their fabrication methods | |
KR101272475B1 (en) | Method for reforming the surface of carbon nanotube by using sodium periodate oxidizing agent | |
US1809990A (en) | Method of making material for the purification of gaseous mixtures | |
US20240228295A1 (en) | A method for producing flaked graphene by intercalation and exfoliation of graphite | |
RU2827898C1 (en) | Method of producing carbon nanoparticles | |
JPS6034492B2 (en) | Method for manufacturing thermally expandable graphite | |
KR102165194B1 (en) | Method of recovering manganese in cleaning solution of graphite oxide and apparatus for recovering manganese |