一种制备功能化石墨烯的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种制备功能化石墨烯的装置及方法，该装置包括：酸化反应器，用于对石墨柱进行酸化处理；电化学剥离反应器，用于剥离酸化后的石墨柱，该剥离反应器内部设有数个电解单元以及加热器；该电解液为(NH4)2HPO4溶液、(NH4)2SO4溶液或NH4NO3溶液中的一种；气体收集器内设有用于分离氧气和氢气的气体过滤器；离心分离器，用于分离出电解液中的粉末石墨烯产物。方法步骤为：S1、将石墨柱和硝酸溶液加入酸化反应器；S2、将酸化石墨柱进行电化学剥离，在不超过50℃的温度条件下，采用恒定电压或恒定电流方式进行电解；S3、电解后离心分离出固体粉末，烘干，即得到石墨烯产物。本发明专利技术在电化学剥离阶段同时植入氨基酸官能团，优化简化了石墨烯制备工艺。

A device and method for the preparation of functional fossil graphene

The present invention discloses a device and method for preparing functional fossil ink. The device comprises an acidification reactor for acidification of Shi Mozhu; an electrochemical stripping reactor is used for stripping the acidified graphite column with several electrolysis units and heaters in the stripping reactor; the electrolyte is (NH4) 2HPO4 One of the solution, (NH4) 2SO4 solution or NH4NO3 solution; the gas collector is equipped with a gas filter for separating oxygen and hydrogen; a centrifugal separator is used to separate the products of the powder graphene in the electrolyte. The method is as follows: S1, adding Shi Mozhu and nitric acid solution to acidification reactor; S2, the acid fossil ink column is electrochemically stripped, under the temperature condition of no more than 50 C, the electrolysis is carried out by constant voltage or constant current mode. The solid powder is centrifuged and dried after S3 and electrolysis, and the product of graphene is obtained. The invention simultaneously implants amino acid functional groups in the electrochemical stripping stage, and optimizes and simplifies the preparation process of graphene.

【技术实现步骤摘要】
一种制备功能化石墨烯的装置及方法
本专利技术属于石墨烯制造
，具体涉及一种制备功能化石墨烯的装置及方法。
技术介绍
石墨烯是以六边形蜂窝状晶格图案排列的碳原子的二维、一个原子厚的片的形式的材料。石墨烯对于在许多应用中例如在柔性电子器件、半导体中和作为先进材料中的加强剂的用途越来越让人感兴趣，因为石墨烯具有许多独特且合意的性质，包括是透明的、坚固的、轻质的、并且是热和电的优异导体。目前，许多方法可用于制造石墨烯，包括石墨的微机械剥离法、SiC热解外延生长法、化学气相沉积法和化学氧化还原法等。上述方法各有优缺点，例如通过微机械剥离法可以制得晶格完好的高质量的石墨烯片，但该法存在着产量低，不易精确控制，重复性差等缺点。通过SiC热解外延生长法可以制备出大面积的石墨烯，且质量较高，但是制备条件比较苛刻，要在高温高真空条件下进行，SiC的价格比较昂贵，且制得的石墨烯片不易从SiC转移下来。通过化学氧化还原法可以实现石墨烯的大批量制备，且中间产物氧化石墨烯在水中的分散性较好，易于实现对石墨烯的改性及功能化，因此该方法常被用于复合材料、储能等研究中。但是因为氧化、超声过程中部分碳原子的缺失以及还原过程中含氧官能团的残留往往使得制得的石墨烯含有较多的缺陷，使其导电性降低，进而限制了其在对石墨烯质量要求较高的领域中的应用。电化学剥离法是一种新兴的方法，具有快速高效、绿色环保、低成本等优点，因而迅速受到学术界和工业界的关注和青睐。该方法的基本原理是：在不同的电解液中，以石墨作为阳极(或阴极)，在电场的作用下离子受到驱动进入石墨电极，使其体积发生膨胀造成层间范德华力减小，最终剥离脱落的得到单层或少层石墨烯。根据不同的插层机制，可以将电化学剥离法分为两类，一是在电解液中阴离子插层进入石墨阳极剥离得到石墨烯，这是如今主要电化学剥离制备石墨烯的方法；二是，阴离子插层进入石墨阴极，可以避免石墨表面被氧化和化学官能团的生成，虽然这类方法有很大优势，但是现在只有少数报道成功制备出少层石墨烯。为了充分发挥石墨烯的优良性质，并改善其成型加工性(如提高溶解性、在基体中的分散性等)，必须对石墨烯进行有效的功能化。通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的性质，进一步拓展其应用领域。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段。石墨烯制备过程中，要将氨基酸官能团引入石墨烯，必须在石墨烯制备完成后再进行表面处理，这一过程比较复杂耗时且伴随有大量毒性废水产生。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是解决现有功能化石墨烯制备方法中将氨基酸官能团引入石墨烯，必须在石墨烯制备完成后再进行表面处理，这一过程比较复杂耗时且伴随有大量毒性废水产生的技术缺陷。为了实现本专利技术这些目的和其它优点，本专利技术提供了一种制备功能化石墨烯的装置及方法。制备功能化石墨烯的装置，包括：酸化反应器、电化学剥离反应器、气体收集器和离心分离器。所述酸化反应器用于对石墨柱进行酸化处理，酸化反应器上设置搅拌器。所述电化学剥离反应器用于剥离酸化后的石墨柱，该剥离反应器内部设有数个电解单元，以及用于对电解单元加热的加热器；所述电解单元包括电解槽和电源，电解槽内设置石墨柱作为正极，石墨柱的中心沿中轴线开设盲孔，盲孔内插入铂金丝作为负极，铂金丝顶端以及石墨柱底端均与电源连接，电解槽内加入电解液，该电解液为(NH4)2HPO4水溶液、(NH4)2SO4水溶液或NH4NO3水溶液其中的一种，所述剥离反应器的顶部设置排气口。所述气体收集器与电化学剥离反应器的排气口连接，气体收集器内设有用于分离氧气和氢气的气体过滤器。所述离心分离器与电化学剥离反应器的出料口连接，用于分离出电解液中的粉末石墨烯产物。优选的是，所述加热器为配置有加热元件的密封箱体，数个电解单元均匀分布在箱体内，箱体顶部设置排气口。优选的是，所述电解槽为直径11cm的圆筒形，电解槽内放置直径10cm的圆柱形石墨柱。优选的是，上述制备功能化石墨烯的装置，还包括用于对石墨烯产物高温处理的高温炉，高温炉上设有进气口和出气口，进气口与氢气储罐连接。一种利用上述装置制备功能化石墨烯的方法，包括如下步骤：S1、将石墨柱和硝酸溶液加入酸化反应器，搅拌器振荡反应，制得酸化的石墨柱；S2、在酸化石墨烯中心开设盲孔，然后将石墨柱置于电解槽内作为正极，将铂金丝插入盲孔内作为正极，石墨柱底端连接电源，铂金丝顶端连接电源，电解槽内加入电解液，该电解液为(NH4)2HPO4水溶液、(NH4)2SO4水溶液或NH4NO3水溶液其中的一种，加热器控制电解温度，在不超过50℃的温度条件下，采用恒定电压或恒定电流方式进行电解，电解产生的气体进入气体收集器并分离出氢气与氧气；S3、电解完成后，高速离心分离出电解液中的固体粉末，烘干，即得到石墨烯产物。优选的是，所述制备功能化石墨烯的方法，还包括步骤S4，将步骤S3制得的石墨烯产物放入高温炉内，在持续通氢气环境下，维持高温炉内氢气体积百分数为5％，升温至600-800℃进行高温还原处理，除去氧官能团，得到具有导电性的石墨烯产物。优选的是，所述硝酸溶液为浓度1mol/L的硝酸蒸馏水溶液。优选的是，所述步骤S2中，采用恒定电压方式电解，电解液为质量百分数10％的(NH4)2HPO4水溶液、或者(NH4)2SO4水溶液或NH4NO3水溶液，以初始电压1V电解20min，然后以5-12V范围内的某一恒定电压值电解30min。优选的是，所述步骤S3中，分离出的固体粉末进行反复水洗，烘干，即得到石墨烯产物。进一步优选的是，所述步骤S3中，固体粉末烘干后进行筛选，以得到特定尺寸的石墨烯产物。本专利技术的有益之处在于：采用(NH4)2HPO4溶液、(NH4)2SO4溶液或NH4NO3溶液中的一种作为电解液，在电化学剥离阶段同时植入氨基酸官能团，优化简化了石墨烯制备工艺，省略了现有方法中石墨烯制备完成后再单独进行表面处理进入官能团的过程，简化了操作步骤，节约时间，提高生产效率，且避免产生大量废水。采用本专利技术的电化学剥离装置及方法，由于石墨柱的密度约为2.2g/cm3，大于电解液的密度，石墨柱位于电解槽的底部，石墨柱上部将与电解液大面积接触，石墨柱侧面微湿润，底部较少接触电解液。由于石墨呈现sp2层状堆积结构，石墨柱以平行于铂金丝的方向进行剥离，不容易形成碎片，保有很完整的层状结构。因此，能够制备出高顺向，大面积的石墨烯；而且制得的石墨烯能够得到较高含氮比例，通过调节电解电压及电解液种类，石墨烯产物的N/C原子比例可高达8.4at.％。附图说明图1、制备功能化石墨烯的装置结构示意图。图2、电解单元的结构示意图。图3、石墨烯产物GN-P7((NH4)2HPO4溶液，恒电压7V)、GN-S7((NH4)2SO4溶液，恒电压7V)、GN-N7(NH4NO3溶液，恒电压7V)的X射线光电子能谱(XPS)图。图4、(a)为恒定电压条件下电压随时间的变化图，(b)为恒定电压条件下不同电解温度条件下电流随时间的变化趋势图。图5、(a)为恒定电流条件下电流随时间的变化图，(b)为恒定电流条件下不同电解温度条件下电压随时间的变化趋势图。图6、(a)是实施例2中石墨烯产率随温度变化曲线图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备功能化石墨烯的装置，其特征在于，包括：酸化反应器，其用于对石墨柱进行酸化处理，酸化反应器上设置搅拌器；电化学剥离反应器，其用于剥离酸化后的石墨柱，该剥离反应器内部设有数个电解单元，以及用于对电解单元加热的加热器；所述电解单元包括电解槽和电源，电解槽内设置石墨柱作为正极，石墨柱的中心沿中轴线开设盲孔，盲孔内插入铂金丝作为负极，铂金丝顶端以及石墨柱底端均与电源连接，电解槽内加入电解液，该电解液为(NH4)2HPO4水溶液、(NH4)2SO4水溶液或NH4NO3水溶液其中的一种，所述剥离反应器的顶部设置排气口；气体收集器，其与电化学剥离反应器的排气口连接，气体收集器内设有用于分离氧气和氢气的气体过滤器；离心分离器，其与电化学剥离反应器的出料口连接，用于分离出电解液中的粉末石墨烯产物。

【技术特征摘要】
1.一种制备功能化石墨烯的装置，其特征在于，包括：酸化反应器，其用于对石墨柱进行酸化处理，酸化反应器上设置搅拌器；电化学剥离反应器，其用于剥离酸化后的石墨柱，该剥离反应器内部设有数个电解单元，以及用于对电解单元加热的加热器；所述电解单元包括电解槽和电源，电解槽内设置石墨柱作为正极，石墨柱的中心沿中轴线开设盲孔，盲孔内插入铂金丝作为负极，铂金丝顶端以及石墨柱底端均与电源连接，电解槽内加入电解液，该电解液为(NH4)2HPO4水溶液、(NH4)2SO4水溶液或NH4NO3水溶液其中的一种，所述剥离反应器的顶部设置排气口；气体收集器，其与电化学剥离反应器的排气口连接，气体收集器内设有用于分离氧气和氢气的气体过滤器；离心分离器，其与电化学剥离反应器的出料口连接，用于分离出电解液中的粉末石墨烯产物。2.如权利要求1所述的制备功能化石墨烯的装置，其特征在于，所述加热器为配置有加热元件的密封箱体，数个电解单元均匀分布在箱体内，箱体顶部设置排气口。3.如权利要求2所述的制备功能化石墨烯的装置，其特征在于，所述电解槽为直径11cm的圆筒形，电解槽内放置直径10cm的圆柱形石墨柱。4.如权利要求1所述的制备功能化石墨烯的装置，其特征在于，还包括用于对石墨烯产物高温处理的高温炉，高温炉上设有进气口和出气口，进气口与氢气储罐连接。5.一种利用权利要求1-4任意一项所述的装置制备功能化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将石墨柱和硝酸溶液加入酸化反应器，搅拌器振荡反应，制得酸化的石墨柱；S2、在酸化石墨烯中心开设盲孔，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢建德，古思勇，陈钰夫，
申请(专利权)人：成都清境环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51