一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法，属于石墨烯制备技术领域。本发明专利技术以高浓度有机盐水溶液作为电解液，以石墨作为阳极，以惰性导电贵金属材料作为阴极，进行电化学插层反应，得到石墨烯聚集体。本发明专利技术使用高浓度有机盐水溶液作为电解液，能够抑制水的快速分解，可以实现石墨的持续可控插层。同时，本发明专利技术中的有机盐为含氟的大分子有机盐，在电压作用下仍然具有稳定的结构，在电化学插层反应过程中能够有效避免插层离子与石墨的化学反应，保持石墨的晶型结构不受破坏，从而制备得到高质量的石墨烯。本发明专利技术提供的制备方法制备周期短，成本低，不产生酸液，环境友好，方法简单，易于实现工业化大批量生产。

A Method for Preparing Graphene by Electrochemical Intercalation of High Concentration Organic Salt Solution

【技术实现步骤摘要】
一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法
本专利技术涉及石墨烯制备
，特别涉及一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法。
技术介绍
自2004年曼彻斯特大学A.K.Geim领导的研究组提出石墨烯(Graphene)的概念以来，石墨烯作为碳家族的另外一颗璀璨明星，得到了物理、化学及材料学家的高度重视。到目前为止，国内外科研人员已经对石墨烯的制备进行了广泛的研究，其中电化学剥离插层制备石墨烯的技术因为其廉价的成本和简单的操作受到更为广泛的关注。然而传统的电化学是利用电解液中的离子以及产生的气泡作用在电极上实现插层和剥离的，因此随着插层和剥离的进行电解液分解加剧，造成了石墨电极的严重的破坏，一旦碳纸在电极上剥落下来进入溶液，插层剥离过程即停止，如果在剥落之前没有很好地实现插层就会造成制备得到的石墨烯层数不可控的问题，并且由于插层离子与石墨之间发生氧化反应，会进一步的影响石墨烯的晶体结构。因此，如何有效的控制插层膨化反应确保石墨的持续的插层和可控的膨化，并控制插层离子与石墨的氧化反应，是目前急需解决的关键问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法。本专利技术提供的制备方法能实现对石墨的持续插层，所得石墨烯层数可控，晶体结构不被破坏。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法，包括以下步骤：以高浓度有机盐水溶液作为电解液，以石墨作为阳极，以惰性导电贵金属材料作为阴极，进行电化学插层反应，得到石墨烯聚集体；所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的质量浓度≥50％；或所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的体积浓度≥50％；所述有机盐为双三氟甲烷磺酰亚胺盐和/或三氟甲磺酸盐。优选的，所述石墨为天然鳞片石墨、定向石墨、石墨纸和石墨棒中的一种或几种。优选的，所述惰性导电贵金属材料的材质为铂或银。优选的，所述双三氟甲烷磺酰亚胺盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双三氟甲烷磺酰亚胺钠和双三氟甲烷磺酰亚胺锌中的一种或几种，所述三氟甲磺酸盐为三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钠和三氟甲磺酸锌中的一种或几种。优选的，所述阳极与阴极间的间距为1～10cm。优选的，所述电化学插层反应施加的电压为5～30V。优选的，所述电化学插层反应的时间为0.5～3h，电化学插层反应时电解液的温度为10～35℃。优选的，所述电化学插层反应后，还包括对石墨烯聚集体进行后处理，所述后处理包括以下步骤：将所述石墨烯聚集体分离出来后依次进行洗涤、超声和干燥，得到石墨烯粉末。优选的，所述超声的功率为80～150W，时间为0.5～2h。优选的，所述干燥的温度为-40～-20℃，时间为24～72h。本专利技术提供了一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法，本专利技术以高浓度有机盐水溶液作为电解液，以石墨作为阳极，以惰性导电贵金属材料作为阴极，进行电化学插层反应，从而得到石墨烯聚集体。本专利技术使用高浓度有机盐水溶液作为电解液，利用电解液中较少的水含量以及高浓度有机盐的水合盐结构，能够抑制水的快速分解，可以实现石墨的持续可控插层。同时，本专利技术中的有机盐为含氟的大分子有机盐，在电压作用下仍然具有稳定的结构，在电化学插层反应过程中能够有效避免插层离子与石墨的化学反应，保持石墨的晶型结构不受破坏，从而制备得到高质量的石墨烯。本专利技术提供的制备方法制备周期短，成本低，不产生酸液，环境友好，方法简单，易于实现工业化大批量生产。附图说明图1是实施例1所得石墨烯聚集体的实物图；图2是实施例1所得石墨烯粉末的扫描电镜照片；图3是实施例2所得石墨烯粉末的X射线衍射图谱；图4是对比例1所得石墨碎屑的扫描电镜照片；图5是对比例2所得的石墨碎屑的实物图。具体实施方式本专利技术提供了一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法，包括以下步骤：以高浓度有机盐水溶液作为电解液，以石墨作为阳极，以惰性导电贵金属材料作为阴极，进行电化学插层反应，得到石墨烯聚集体。在本专利技术中，所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的质量浓度≥50％，优选≥60％；或所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的体积浓度≥50％，优选≥60％；在本专利技术中，所述双三氟甲烷磺酰亚胺盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双三氟甲烷磺酰亚胺钠和双三氟甲烷磺酰亚胺锌中的一种或几种，所述三氟甲磺酸盐为三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钠和三氟甲磺酸锌中的一种或几种。在本专利技术中，所述电解液的体积与石墨的质量比优选为10～40:1，更优选为20～30:1。本专利技术通过使用高浓度有机盐水溶液作为电解液，其中，高浓度有机盐水溶液能够形成一种水合盐体系，本专利技术利用电解液中较少的水含量以及高浓度有机盐的水合盐结构，能够抑制水的快速分解，可以实现石墨的持续可控插层。同时，本专利技术中的有机盐具有稳定的结构，在电化学插层反应过程中能够有效避免插层离子与石墨的化学反应，保持石墨的晶型结构不受破坏，从而制备得到高质量的石墨烯。在本专利技术中，所述石墨优选为天然鳞片石墨、定向石墨、石墨纸和石墨棒中的一种或几种；所述惰性导电贵金属材料的材质优选为铂或银，具体优选为铂片、铂丝和银丝中的一种或几种。本专利技术对所述石墨和导电贵金属材料的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的上述材料即可。在本专利技术中，所述电化学插层反应优选在敞开体系中进行；所述阳极与阴极间的间距优选为1～10cm，更优选为4～8cm。本专利技术通过控制阳极与阴极间的间距，可以调节有机盐水溶液对石墨的插层速率，二者间距越小，插层速率越快。在本专利技术中，所述电化学插层反应施加的电压优选为5～30V，更优选为10～20V；所述施加的电压优选为直流电压，本专利技术通过控制施加的电压，可以避免石墨过早剥落，保证石墨插层的持续时间和速度。在本专利技术中，所述电化学插层反应的时间优选为0.5～3h，更优选为1～2h，所述电化学插层反应时电解液的温度优选为10～35℃，更优选为20～30℃。在本专利技术中，所得石墨烯聚集体具体为二维片层石墨烯的聚集体，该聚集体具有完整有序的结构和大的颗粒尺寸，所述石墨烯聚集体的尺寸优选≥300μm。本专利技术在所述电化学插层反应后，还优选包括对石墨烯聚集体进行后处理，所述后处理包括以下步骤：将所述石墨烯聚集体分离出来后依次进行洗涤、超声和干燥，得到石墨烯粉末。在本专利技术中，所述分离的方式优选为抽滤，所述洗涤用洗涤剂优选为高纯水。本专利技术通过洗涤使石墨烯聚集体的pH＝7。本专利技术优选将洗涤后的石墨烯聚集体置于高纯水中进行超声，所述石墨烯聚集体与高纯水的质量比优选为5～10:1，更优选为6～8:1；在本专利技术中，所述超声的功率优选为80～150W，更优选为100～120W，时间优选为0.5～2h，更优选为1～1.5h；所述超声用设备优选为超声清洗机。在本专利技术中，石墨烯聚集体通过超声成为二维片层的石墨烯分散液。在本专利技术中，所述干燥优选为冷冻干燥，所述干燥的温度优选为-40～-20℃，更优选为-35～-25℃，时间优选为24～72h，更优选为36～60h，所述冷冻干燥的真空度优选为20Pa。本专利技术提供的制备方法制备周期短，成本低，不产生酸液，环境友好，方法简单，易于实现工业化大批量生产。下面结合实施例对本专利技术提供的基于高浓度有机盐水溶液电化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：以高浓度有机盐水溶液作为电解液，以石墨作为阳极，以惰性导电贵金属材料作为阴极，进行电化学插层反应，得到石墨烯聚集体；所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的质量浓度≥50％；或所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的体积浓度≥50％；所述有机盐为双三氟甲烷磺酰亚胺盐和/或三氟甲磺酸盐。

【技术特征摘要】
1.一种基于高浓度有机盐水溶液电化学插层制备石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：以高浓度有机盐水溶液作为电解液，以石墨作为阳极，以惰性导电贵金属材料作为阴极，进行电化学插层反应，得到石墨烯聚集体；所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的质量浓度≥50％；或所述高浓度有机盐水溶液中有机盐的体积浓度≥50％；所述有机盐为双三氟甲烷磺酰亚胺盐和/或三氟甲磺酸盐。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨为天然鳞片石墨、定向石墨、石墨纸和石墨棒中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性导电贵金属材料的材质为铂或银。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双三氟甲烷磺酰亚胺盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双三氟甲烷磺酰亚胺钠和双三氟甲烷磺酰亚胺锌中的一种或几种，所述三氟甲磺酸盐为三氟甲磺酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎兴斌，杨娟，王正军，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62