一种电化学制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种电化学制备石墨烯的方法，包括如下步骤：（1）将石墨纸作为正极，以插层剂的水溶液作为电解液，对石墨纸进行插层、膨胀，得到膨胀石墨；（2）过滤、洗涤膨胀石墨，然后对膨胀石墨进行超声剥离处理，得到絮状的石墨烯浆料；（3）过滤石墨烯浆料，然后采用微波真空干燥器对石墨烯浆料进行干燥处理，干燥后得到蓬松的石墨烯粉体。本发明专利技术采用电化学的方法解决了现有技术在制备石墨烯的过程中使用含有重金属的试剂、强酸、强氧化剂和昂贵有机液体的问题；同时，制备工艺简单、能耗低、成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯制备技术，具体地说涉及一种电化学制备石墨烯的方法。
技术介绍
自2004年被发现以来，石墨烯作为一种新型碳材料备受关注。它是一种完全由sp2杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有高透光性和导电性、高比表面积、高强度及柔韧性等优异的性能，可望在高性能纳电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域获得广泛应用。但是，高质量石墨烯的低成本、大量制备仍面临困境，制约了该材料的发展与应用。目前，制备石墨烯的方法有很多种，其中以氧化还原法、液相剥离法以及机械剥离法为主，而电化学法因其制备工艺简单、能耗低、成本低、易工业化，近年来也得到广泛采用。采用电化学方法制备石墨烯的单位主要有苏州纳米所、曼侧斯特大学、复旦大学及海洋王照明等，各单位的具体制备方法如下：苏州纳米所于2012年8月30日提出了申请号为201210314278.7的电化学制备石墨烯的方法，其技术方案为：1、将天然鳞片石墨与热塑性粘结剂混合在高压下压制成薄片；2、采用浓硫酸和乙酸的混酸（浓度为10M）作为插层剂，接通2V电压进行插层制备得到可膨胀石墨；3、将可膨胀在700℃高温下加热制备成膨胀石墨；4、将上述膨胀石墨再次在高压条件下压制成薄片，并再次在混酸溶液中电解得到二次膨胀石墨；5、将二次膨胀石墨进行洗涤然后在NMP、DMSO（二甲基亚砜）、DMF（N，N’-二甲基甲酰胺）中超声制备得到石墨烯。该技术中采用了浓硫酸和浓乙酸的混酸，酸性、氧化性较强，对环境危害大，热塑性粘结剂将被炭化混入石墨烯中；超声剥离采用的有机试剂昂贵且对环境危害大，不适合工业化生产。曼彻斯特大学于2012年3月9日提出了申请号为201280022677.4的石墨烯的生产方法，该方法采用石墨作正极和负极，采用离子液体作为电解液，其中，阳离子为NH4+、烷基铵，阴离子主要是四氟硼酸盐、高氯酸盐、六氟磷酸盐。但由于阴离子较大，离子液体的浓度不大，一般为零点几摩尔每升，而插层膨胀反应主要在负极进行。再在NMP、DMSO、DMF等溶剂中进行超声剥离得到石墨烯。采用离子液体作为电解液成本较高，采用高沸点、有毒的有机溶剂为剥离液带来安全隐患，同时干燥成本增加不利于工业化生产。复旦大学于2013年10月29日提出了申请号为201310516701.6的一种石墨烯的制备方法，该方法采用酸性溶液对鳞片石墨原料进行浸泡处理，处理完毕后将酸化的鳞片石墨浸入活性物溶液中，经过超声处理后得到石墨烯分散液，再经过干燥处理后得到石墨烯粉体。但该方法采用的酸性溶液为含有强氧化剂，如高锰酸钾、硝酸、双氧水等的硫酸；采用的活性物质一般为碱性物质，如氢氧化钠、碳酸钠等；采用乙醇、NMP、甲醇、异丙醇、DMSO、DMF等有机溶剂为剥离液。制备过程中采用强酸、强碱、强氧化剂对设备的要求较为苛刻。海洋王照明科技股份有限公司于2013年1月31日提出了申请号为201310038908.7的石墨烯及其制备方法，该方法以石墨棒为正极，铂为负极，正极负极插入电解液中施加0.8～1.5V电压保持1～5分钟后，再施加10～15V的电压并保持4～15分钟，然后将电解液过滤并烘干；然后将烘干的固体产物置于惰性气体氛围下，用激光进行照射，即得到所述石墨烯。但该方法中采用的电解液为离子液体和水的混合物（水与离子液体的配比为1:0.5～2），离子液体颇为昂贵，导致制备成本较高。并且，采用激光剥离石墨烯又存在速度较慢的问题，也不适合工业大批量制备。北京化工大学于2014年7月27日提出了申请号为201410361416.6的一种采用电化学辅助制备单层大尺寸氧化石墨烯的方法，该方法在电化学反应条件下，取阳极发生膨胀的鳞片石墨片，用去离子水清洗，常温干燥，粉碎机粉碎，使石墨粉粒径在微米级。冰浴下，将石墨粉与浓硫酸，高锰酸钾混合，搅拌，依次经过低温、中温、高温反应，反应结束后向混合物中加入质量浓度为30%的双氧水，用稀盐酸和去离子水冲洗至中性，经超声、离心后制得单层大尺寸的氧化石墨烯。该方法中，先采用硫酸作电解液制备膨胀石墨，得到的膨胀石墨片层较厚。再通过浓硫酸高锰酸钾混合溶液再次氧化，降低石墨烯层数。这种方式使得石墨烯被过度氧化，石墨烯片的中间部位会产生大量的孔洞，进而导致产品的导电性能和阻隔性能都急剧下降。另外，由于石墨烯的过度氧化，石墨烯溶液的粘度急剧上升，为石墨烯的分离带来困难；制备过程中残留的重金属离子将影响石墨烯在电池、涂料等领域的使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种电化学制备石墨烯的方法，本专利技术采用电化学的方法解决了现有技术在制备石墨烯的过程中使用含有重金属的试剂、强酸、强氧化剂和昂贵有机液体的问题；同时，制备工艺简单、能耗低、成本低。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种电化学制备石墨烯的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将石墨纸作为正极，以插层剂的水溶液作为电解液，对石墨纸进行插层、膨胀，得到膨胀石墨；（2）过滤、洗涤膨胀石墨，然后对膨胀石墨进行超声剥离处理，得到絮状的石墨烯浆料；（3）过滤石墨烯浆料，然后采用微波真空干燥器对石墨烯浆料进行干燥处理，干燥后得到蓬松的石墨烯粉体。所述步骤（1）中对石墨纸进行插层后，新配置插层剂的水溶液作为电解液，再将插层后的石墨纸取出，再次作为正极浸入新配置的电解液中进行膨胀，得到悬浮在电解液中表面疏松多孔、蠕虫状的膨胀石墨颗粒。所述步骤（1）的膨胀工序中，插层后的石墨纸以1—20mm/min的速度浸入电解液中进行膨胀。所述步骤（1）中在电流密度为0.1—30mA/g或在电压为0.5—10V的条件下对石墨纸进行插层，在电压为2—20V的条件下对插层后的石墨纸进行膨胀。所述步骤（1）中的插层剂包括主插层剂，所述主插层剂为烯硫酸、硫酸铵、硫酸钠、硫酸钾、磺酸钠十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的一种或几种的混合。所述主插层剂的浓度为0.1—15M。所述步骤（1）中的插层剂还包括辅插层剂，所述辅插层剂为硝酸盐、乙酸、乙酸盐、磷酸、磷酸盐、草酸、草酸盐、氯化物、氯酸盐中的一种或几种的混合。所述电解液由主插层剂的水溶液和辅插层剂的水溶液混合而成，所述电解液中主插层剂与辅插层剂的摩尔比为0.5—10：1，所述主插层剂的浓度为0.05—5M。所述步骤（1）中采用石墨板作为负极。所述步骤（1）中的石墨纸为80目鳞片石墨经化学处理、高温膨胀辊压制得，其纯度大于99.5%。所述步骤（2）中的膨胀石墨在剥离液中进行超声剥离处理，膨胀石墨与剥离液的质量比为1：7—20，所述剥离液为水或非离子表面活性剂溶液。所述步骤（2）中采用400目的滤网过滤膨胀石墨，采用纯水洗涤膨胀石墨，洗涤次数为1—5次。所述步骤（3）中干燥处理的时间为2—30min。采用本专利技术的优点在于：一、本专利技术中，采用石墨纸为原料制备的石墨烯，具有氧化程度低和导电率高的优点，能够降低制备过程中的能耗。同时表面带有一定的官能团还有利于石墨烯在水或非离子表面活性剂溶液中分散。采用电化学的方法对石墨纸进行插层、膨胀，这样的工艺有利于插层阶段时，插层剂在石墨纸中快速插层和扩散，膨胀阶段时，水分子的分解。避免了现有技术在制备石墨烯的过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学制备石墨烯的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将石墨纸作为正极，以插层剂的水溶液作为电解液，对石墨纸进行插层、膨胀，得到膨胀石墨；（2）过滤、洗涤膨胀石墨，然后对膨胀石墨进行超声剥离处理，得到絮状的石墨烯浆料；（3）过滤石墨烯浆料，然后采用微波真空干燥器对石墨烯浆料进行干燥处理，干燥后得到蓬松的石墨烯粉体。

【技术特征摘要】
1.一种电化学制备石墨烯的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将石墨纸作为正极，以插层剂的水溶液作为电解液，对石墨纸进行插层、膨胀，得到膨胀石墨；（2）过滤、洗涤膨胀石墨，然后对膨胀石墨进行超声剥离处理，得到絮状的石墨烯浆料；（3）过滤石墨烯浆料，然后采用微波真空干燥器对石墨烯浆料进行干燥处理，干燥后得到蓬松的石墨烯粉体。2.如权利要求1所述的一种电化学制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）中对石墨纸进行插层后，新配置插层剂的水溶液作为电解液，再将插层后的石墨纸取出，再次作为正极浸入新配置的电解液中进行膨胀，得到悬浮在电解液中表面疏松多孔、蠕虫状的膨胀石墨颗粒。3.如权利要求1或2所述的一种电化学制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）的膨胀工序中，插层后的石墨纸以1—20mm/min的速度浸入电解液中进行膨胀。4.如权利要求1或2所述的一种电化学制备石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）中在电流密度为0.1—30mA/g或在电压为0.5—10V的条件下对石墨纸进行插层，在电压为2—20V的条件下对插层后的石墨纸进行膨胀。5.如权利要求1或2所述的一种电化学制...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄全国，高华，姚林，简璐，
申请(专利权)人：德阳烯碳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51