一种电场辅助制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供了一种电场辅助制备石墨烯的方法，包括在电解液中加入手性分子，阴极和阳极均采用石墨箔或石墨烯棒电极，接通电压，进行预处理，然后进行持续电化学剥离石墨制备石墨烯。本发明专利技术通过手性分子结构对石墨烯电场辅助宏量剥离，可高效宏量制备石墨烯，实现规模化。且制备的产品为高品质的单层石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
一种电场辅助制备石墨烯的方法
本专利技术涉及石墨烯的制备
，具体涉及一种电场辅助制备石墨烯的方法，所制备的石墨烯具有高品质，可广泛应用于催化、生物传感、电池、超级电容器、功能纤维等领域。
技术介绍
石墨烯，作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米碳材料，已经被业内誉为“黑金”，是“新材料之王”。石墨烯不仅有优异的电学性能(室温下电子迁移率可达200000cm2/Vs)，质量轻，导热性好(5000W/mK)，比表面积大(2630m2/g)，它的杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)，而且还具有一些独特的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应等。自从2004年曼彻斯特大学的Geim教授课题组运用机械剥离法成功获得石墨烯以来1，它就引起了世界的瞩目，吸引了无数科研工作者对新材料追求的梦想。石墨烯可以广泛应用于锂离子电池电极材料、超级电容器、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、透明显示触摸屏、功能纤维和透明电极等方面。作为更具有应用前景的石墨烯衍生材料和复合材料不但可以继承其优异的性能，而且更利于材料性质的调控以及在实际中的应用，因此备受众多科研工作者的关注。也正是基于以上这些原因，利用石墨烯的基元特性来实现新型碳基结构的定向组装和功能性定制已经成为现今一个新的研究热点及重点，因此以石墨烯为基体制备纳米复合物材料的实验和理论研究拓宽了石墨烯的应用范围。这些复合材料在催化、生物传感、电池、超级电容器等方面有着广泛的应用潜能，将来有望在电动车等能源领域有所突破。虽然石墨烯及其复合材料的合成和应用已经取得了一定的科学进展，但是，石墨烯的大规模制备技术仍然是目前限制其实际应用的瓶颈，也是制约石墨烯产业市场扩大的最大障碍。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、晶体外延生长法、化学氧化-还原法、液相剥离法以及电场辅助等。这些制备方法中，最有望实现低成本、高效率、环境友好的宏量生产的方法是电场辅助。早在20世纪七十年代，人们就开始利用电场辅助制备石墨插层化合物。但是，直到近些年，化学家们才利用这个技术来制备石墨烯。简而言之，电场辅助方法是利用导电的电解液和直流电去实施对石墨源(如石墨棒、石墨箔和石墨片等)的剥离，达到制备石墨烯的目的。当通电以后，石墨电极既可以作为阳极又可以阴极，利用电极表面产生的气体，进行石墨的膨胀剥离。因此，电场辅助剥离制备石墨烯的方法分为阴极剥离和阳极剥离。阴极剥离制备石墨烯大多都需要引入Li+或一些熔融态的锂盐，反应温度相对比较高，再有石墨烯的生产效率也较低，较难实现规模化生产。阳极石墨电场辅助剥离制备石墨烯，亦大都存在着石墨烯产量低和生产效率不高等问题。最近，有报道利用有机的2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基辅助硫酸铵剥离阳极石墨箔制备了石墨烯，通过利用双套电极体系剥离大面积的石墨箔，反应10h以上，已经成功得到了十几克的石墨烯粉末，生产效率约为1g/h，这个生产效率离大规模实际生产还有一段距离。手性是自然界的基本属性之一。手性与整个宇宙的生命活动息息相关，自然界的基本生命现象和定律都是由手性构成的。人们发现了二维胶体液晶的手性液晶相，确认了氧化石墨烯手性液晶的准长程有序层状结构和光学活性，探索了其内部螺旋位错手性结构，提出了“螺旋层状相”结构模型，解释了新型手性液晶的结构手性来源。随后，人们人报道了氧化石墨烯具有较好手性圆二色性，并模拟了其手性排列结构；随后利用手性高分子聚合物和氨基酸分子对氧化石墨烯进行手性功能化，并探讨了其对手性分子对映体的识别性能等；最近，人们利用手性半胱氨酸分子与石墨烯边缘的共价作用，诱导石墨烯纳米片的纳米尺度的扭曲，制备了手性对映的石墨烯量子点，但利用手性分子辅助电场剥离制备石墨烯的研究未见报道。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供了一种石墨烯的制备方法，具体为一种电场辅助制备石墨烯的方法，通过设计合成不同结构的手性分子，研究不同结构单元的手性分子与石墨烯边缘的共价作用差异，探讨手性分子对石墨电极层间的螺旋膨胀作用，实现其辅助电场辅助下高效、快速和宏量制备石墨烯。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种石墨烯的制备方法，所述方法包括以下步骤：在电解液中加入手性分子，阴极和阳极均采用石墨箔或石墨烯棒电极，接通电压，进行预处理，然后进行持续电化学剥离石墨制备石墨烯。优选地，所述手性分子包括以下结构式中的至少一种：其中，R为C8～20的烷基；更优选R为C8～20的直链烷基。更优选地，所述手性分子包括以下结构式中的至少一种：优选地，所述手性分子的制备方法包括如下步骤：A、以手性小分子为原料，将其溶解在丙酮与氢氧化钠的混合溶液中，搅拌；B、向步骤A所得溶液体系中滴加不同烷基链的酰氯和氢氧化钠溶液，再持续搅拌反应；C、调节步骤B所得溶液的pH值为0.2-3.5，即得手性分子。优选地，步骤A中，所述手性小分子结构式为其中R为C8～20的烷基；更优选R为C10～20的直链烷基。优选地，步骤A中，所述混合溶液的pH值控制在9.0～14.0。优选地，步骤B中，所述滴加的时间为10-120分钟；所述搅拌反应时间为0.5-5小时，保存所述反应体系的pH值控制在9.0～14.0。优选地，所述手性分子的制备方法还包括将步骤C制备的手性分子用石油醚洗涤后，放置在-30～65℃下冷冻干燥。优选地，所述预处理采用的电压为0.5～2.5V，预处理时间为1～10min；所述电化学剥离石墨采用的电压为4～12V。优选地，所述手性分子的加入量为0.01～0.1wt％。优选地，所述电解液选自盐溶液、酸溶液，碱溶液中的至少一种。更优选电解液选自氯化钠溶液、硫酸溶液、氢氧化钠溶液中的一种。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术通过手性分子结构对石墨烯电场辅助宏量剥离，可高效宏量制备石墨烯，实现规模化。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为不同时间的电场辅助剥离制备石墨烯的反应过程图：图a1-a3为采用硫酸铵电解液体系，图b1-b3为采用硫酸铵+手性分子电解液体系；图2为电场辅助剥离石墨烯装置；图3为手性分子螺旋膨胀石墨；图4为电场辅助剥离反应机理示意图；图5为手性分子辅助电场辅助剥离制备石墨烯的不同倍率下的SEM；图6为手性分子辅助电场辅助剥离制备石墨烯的不同区域的TEM：图7为手性分子辅助电场辅助剥离制备石墨烯的Raman。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。以下实施例所述的一种石墨烯的制备方法，为一种电场辅助制备石墨烯的方法，所述方法包括以下步骤：在电解液中加入手性分子，阴极和阳极均采用石墨箔或石墨烯棒电极，接通电压，进行预处理，然后进行持续电化学剥离石墨制备石墨烯。所述手性分子包括以下结构式中的至少一种：其中，R为C8～20的烷基。所述手性分子的制备方法包括如下步骤：A、以手性小分子为原料，将其溶解在丙酮与氢氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在电解液中加入手性分子，阴极和阳极均采用石墨箔或石墨烯棒电极，接通电压，进行预处理，然后进行持续电化学剥离石墨制备石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在电解液中加入手性分子，阴极和阳极均采用石墨箔或石墨烯棒电极，接通电压，进行预处理，然后进行持续电化学剥离石墨制备石墨烯。2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述手性分子包括以下结构式中的至少一种：其中，R为C8～20的烷基。3.根据权利要求2所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述手性分子的制备方法包括如下步骤：A、以手性小分子为原料，将其溶解在丙酮与氢氧化钠的混合溶液中，搅拌；B、向步骤A所得溶液体系中滴加酰氯和氢氧化钠溶液，再持续搅拌反应；C、调节步骤B所得溶液的pH值为0.2-3.5，即得手性分子。4.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述小分子结构式为其中R为C8～20的烷基。5.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少华，马立国，
申请(专利权)人：刘少华，马立国，
类型：发明
国别省市：上海,31