一种基于高浓度无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于高浓度无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法，属于氧化石墨烯制备技术领域。本发明专利技术以高浓度无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，进行电化学剥离反应，得到氧化石墨烯聚集体。本发明专利技术使用高浓度无机盐水溶液作为电解液，能够抑制低电压下水的快速分解，实现石墨的持续插层；本发明专利技术改变了传统的低浓度电解液对石墨电极完整性的破坏，从而实现对石墨的深度插层和膨化；并利用高浓盐所含的阴离子作为氧化插层剂，在插层和剥离石墨的同时，还能够对石墨进行氧化，从而制备氧化石墨烯；同时，本发明专利技术制备周期短、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 preparation of graphene oxide based on stripping of high concentration inorganic brine solution

【技术实现步骤摘要】
一种基于高浓度无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法
本专利技术涉及氧化石墨烯制备
，特别涉及一种基于高浓度无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法。
技术介绍
自2004年曼彻斯特大学的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。目前石墨烯的制备方法中，由石墨制备氧化石墨稀再还原为石墨烯被认为是一种实现高质量石墨烯的规模化制备方法。氧化石墨稀是石墨稀的衍生物，它的结构与石墨稀大体相同，是一种二维平面结构，相对于石墨烯它不但拥有很好的亲水性和在水中的分散性，而且能够通过化学改性使其拥有更广泛的用途，因此氧化石墨稀也成为人们研究的一个热点。制备氧化石墨烯的方法主要有化学氧化法，化学氧化法是通过使用大量的无机强质子酸如浓硫酸、发烟硫酸或它们的混合物处理原始石墨，将强酸小分子插入石墨层间，再引入过量的强氧化剂如(高氯酸钾、高锰酸钾等)对其进行氧化剥离，其主要的制备方法包括Brodie法、Standenmaiers法和Hummer法。然而，上述制备方法中氧化石墨烯的制备都需要引入大量的酸液以及强氧化剂，造成了在提纯阶段，为了去除大量的酸液以及强氧化剂，会使水资源以及能源严重浪费，并且这些强氧化剂都存在重金属离子，不可回收利用，对环境造成了不可逆的严重污染，从而阻碍了氧化石墨烯的批量化生产。因此，为了实现氧化石墨烯的批量化制备，必须寻找一种清洁氧化的方法，绿色节能的制备技术，并能用于规模化制备的生产，才能有望在宏量制备石墨烯方面取得突破性的进展。
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无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法。本专利技术提供的制备方法绿色节能，环境友好，能实现石墨的持续插层。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无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：以高浓度无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，进行电化学剥离反应，得到氧化石墨烯聚集体；所述高浓度无机盐水溶液的摩尔浓度≥5mol/L；所述无机盐的阴离子具有氧化性官能团。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，所述无机盐为高氯酸钠、硝酸钠、硝酸铵、高铁酸钠和氯酸钠中的一种或几种。优选的，所述阳极与阴极间的间距为5～15cm。优选的，所述电化学剥离反应施加的电压为1～20V。优选的，所述电化学剥离反应的时间为0.5～30h，电化学剥离反应时电解液的温度为10～35℃。优选的，所述电化学剥离反应后，还包括对氧化石墨烯聚集体进行后处理，所述后处理包括以下步骤：将所述氧化石墨烯聚集体分离出来后依次进行洗涤、超声和干燥，得到氧化石墨烯粉末。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无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法，本专利技术以高浓度无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，进行电化学剥离反应，从而得到氧化石墨烯聚集体。本专利技术使用高浓度无机盐水溶液作为电解液，能够抑制低电压下水的快速分解，实现石墨的持续插层，本专利技术改变了传统的低浓度电解液对石墨电极完整性的破坏，从而实现对石墨的深度插层和膨化；并利用高浓度无机盐所含的阴离子作为氧化插层剂，在插层和剥离石墨的同时，还能够对石墨进行氧化，得到氧化石墨烯；同时，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所得氧化石墨烯聚集体的实物图；图2是实施例1所得氧化石墨烯粉末的扫描电镜照片；图3是实施例2所得氧化石墨烯粉末的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1所得石墨碎屑的X射线衍射图谱；图6是对比例2所得氧化石墨烯的X射线衍射图谱。具体实施方式本专利技术提供了一种基于高浓度无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：以高浓度无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，进行电化学剥离反应，得到氧化石墨烯聚集体。在本专利技术中，所述高浓度无机盐水溶液的摩尔浓度≥5mol/L，优选≥8mol/L；所述无机盐的阴离子具有氧化性官能团，具体优选为高氯酸钠、硝酸钠、硝酸铵、高铁酸钠和氯酸钠中的一种或几种。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无机盐水溶液作为电解液，能够抑制低电压下水的快速分解，从而实现石墨的持续插层，同时，高浓度无机盐所含的阴离子能够作为氧化插层剂，在插层和剥离石墨的同时，还能够对石墨进行氧化。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，所述阳极与阴极间的间距优选为5～15cm，更优选为8～12cm。本专利技术通过控制阳极与阴极间的间距，可以调节石墨的剥离效率。在本专利技术中，所述电化学剥离反应施加的电压优选为1～20V，更优选为5～15V；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，可以控制石墨插层的持续时间和速度。在本专利技术中，所述电化学剥离反应的时间优选为0.5～30h，更优选为5～20h，所述电化学剥离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，所得氧化石墨烯聚集体具有完整有序的结构和大的颗粒尺寸，在本专利技术中，所述氧化石墨烯聚集体的尺寸≥300μm。传统电化学剥离石墨的方法通常使用浓度较低的水系盐溶液作为电解液，其依赖水的电解产生气体造成体积的变化，在较短的时间就会使石墨插层和剥落，使反应终结，这会造成石墨烯层数和氧化程度的不可控。本专利技术改变了传统的电化学剥离石墨方法，首次提出利用高浓度无机盐水溶液作为电解液制备氧化石墨烯，利用高浓度无机盐水溶液对水的约束以及高浓度盐体系中较低的水含量，使用高浓度盐所含的阴离子作为氧化插层剂，使其在电化学插层石墨过程中对石墨电极进行破坏，从而实现对石墨的持续插层和膨化。本专利技术在所述电化学剥离反应后，还优选包括对氧化石墨烯聚集体进行后处理，所述后处理包括以下步骤：将所述氧化石墨烯聚集体分离出来后依次进行洗涤、超声和干燥，得到氧化石墨烯粉末。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。本专利技术简化了传统的氧化石墨烯清洗技术，利用制备阶段氧化石墨烯聚集体有序的结构和大的尺寸优势，运用最简单低廉的抽滤、洗涤工艺即可实现对氧化石墨烯的提纯。本专利技术优选将洗涤后的氧化石墨烯聚集体置于高纯水中进行超声，所述氧化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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高浓度无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：以高浓度无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，进行电化学剥离反应，得到氧化石墨烯聚集体；所述高浓度无机盐水溶液的摩尔浓度≥5mol/L；所述无机盐的阴离子具有氧化性官能团。

【技术特征摘要】
1.一种基于高浓度无机盐水溶液剥离制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：以高浓度无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，进行电化学剥离反应，得到氧化石墨烯聚集体；所述高浓度无机盐水溶液的摩尔浓度≥5mol/L；所述无机盐的阴离子具有氧化性官能团。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，所述无机盐为高氯酸钠、硝酸钠、硝酸铵、高铁酸钠和氯酸钠中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极...

【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