一种电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法技术

本申请公开了一种电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：以含有氢氧化物的溶液作为电解液，以含有石墨的原料作为电化学阴极，以导电材料作为电化学阳极；所述电解液、电化学阳极和电化学阴极构成电化学回路；在电化学阴极和电化学阳极之间施加电压，电化学阴极剥离石墨，制备石墨烯纳米片。该方法相对更加绿色环保，以可溶性氢氧化物为电解液，通过电化学阴极剥离石墨的方法，一步合成石墨烯纳米片。

A method of preparing graphene nano sheet by electrochemical cathode stripping

【技术实现步骤摘要】
一种电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法
本专利技术属于石墨烯材料的可控制备
，具体涉及在一种水溶液中进行电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法。制备的石墨烯纳米片展现了优异的化学性能，可广泛应用于超级电容器、电池、导电油墨等领域。
技术介绍
自从利用微机械剥离方法剥离获得高质量石墨烯以来，石墨烯所具有的独特导电导热以及机械性能一直吸引着科研界与产业界极大的兴趣。由于优异性能，石墨烯的市场需求也越来越大，这要求石墨烯材料的制备不断改善并能够实现绿色无污染的制备技术以获得大批量高质量的石墨烯。然而目前的制备技术还存在一些挑战。首先，可获得高质量石墨烯的化学气相沉积技术和外延生长法存在产率低、高能耗和转移困难等问题；另外，化学氧化还原法虽然可以实现大规模制备石墨烯，但存在大量含氧基团连接在石墨烯片层上，导致石墨烯的导电导热性能大幅度降低。超声剥离法和液相剪切剥离法能够得到高质量的石墨烯材料，但所获得的石墨烯横向尺寸偏小，最重要的是产率很低，往往产率低于5％，经济性差，总的性价比依然不高。针对现有的石墨烯制备技术，要么高质量高成本，要么成本低质量差，石墨烯产业发展亟需一种高质量、低成本且绿色无污染的制备技术，以突破石墨烯材料瓶颈。电化学制备石墨烯是可能的途径之一。在已经公开的电化学制备石墨烯的文献和专利中，主要是把石墨电极作为阳极进行剥离，所使用的电解液可以分为离子液体，强酸，以及一些盐溶液。其中最有代表性采，相对最绿色的过程是以硫酸铵作为电解液(J.Am.Chem.Soc.2014,136,6083-6091)，这种方法获得的产率高达85％，反应时间短，但是这种方法，面临着硫酸根离子在电解过程中也会有少量SO2有毒气体产生，不够环保和安全的问题。另外阳极剥离的方法不可避免的要氧化石墨烯片层，从而造成更多的缺陷，降低石墨烯质量和导电性。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，该方法相对更加绿色环保，以可溶性氢氧化物为电解液，通过电化学阴极剥离石墨的方法，一步合成石墨烯纳米片。此制备方法未见报道。所述电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：以含有氢氧化物的溶液作为电解液，以含有石墨的原料作为电化学阴极，以导电材料作为电化学阳极；所述电解液、电化学阳极和电化学阴极构成电化学回路；在电化学阴极和电化学阳极之间施加电压，电化学阴极剥离石墨，制备石墨烯纳米片。作为一种实施方式，所述的电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，通过以下步骤实现：以可溶性氢氧化物为剥离用电解液，石墨为原料连接直流电源的负极，一种导电材料作为对电极连接直流电源的正极，常温常压条件下，施加合适的槽电压进行电化学剥离，剥离产物经洗涤、超声分散得到石墨烯浆料，再经干燥得到石墨烯粉体。可选地，所述含有氢氧化物的溶液中的氢氧化物包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化锂、氢氧化锶、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵中的至少一种。可选地，所述含有氢氧化物的溶液中的氢氧化物的浓度为0.01mol/L～15mol/L。可选地，所述含有氢氧化物的溶液中的氢氧化物的浓度为1mol/L～10mol/L。可选地，所述含有氢氧化物的溶液中的氢氧化物的浓度的上限选自0.05mol/L、0.1mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L、1mol/L、2mol/L、3mol/L、5mol/L、7mol/L、8mol/L、9mol/L、10mol/L、12mol/L或15mol/L；下限选自0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L、1mol/L、2mol/L、3mol/L、5mol/L、7mol/L、8mol/L、9mol/L、10mol/L或12mol/L。可选地，所述含有氢氧化物的溶液中的溶剂选自水、腈中的至少一种。可选地，所述腈选自丙烯腈、己二腈、C1～C14的烷基腈中的至少一种。可选地，所述C1～C14的烷基腈选自乙腈、丙腈、丁腈、十一腈、十四腈中的至少一种。可选地，所述含有石墨的原料包括天然鳞片石墨、微晶石墨、石墨棒、石墨纸中的至少一种。可选地，所述电化学阳极的材料选自石墨、玻璃碳、铂、金、镍中的至少一种。可选地，所述电化学阴极浸入所述电解液的面积与所述电化学阳极浸入所述电解液的面积的比例为0.1～10。可选地，所述电化学阴极浸入所述电解液的面积与所述电化学阳极浸入所述电解液的面积的比例的上限选自0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10；下限选自0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9或9.5。可选地，所述电化学阴极与所述电化学阳极之间的距离为1～2cm。可选地，所述电化学阴极与所述电化学阳极之间的距离的上限选自1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm、1.6cm、1.7cm、1.8cm、1.9cm或2cm；下限选自1cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm、1.6cm、1.7cm、1.8cm或1.9cm。可选地，所述电压为2～30V。可选地，所述电压为5～15V。可选地，所述电压的上限选自5V、8V、10V、12V、15V、18V、20V、22V、25V、28V或30V；下限选自2V、5V、8V、10V、12V、15V、18V、20V、22V、25V或28V。可选地，电化学阴极剥离的时间为5min-72h。可选地，电化学阴极剥离的时间为1h-4h。可选地，电化学阴极剥离的时间的上限选自20min、30min、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时、8小时、10小时、12小时、18小时、24小时、30小时、36小时、42小时、48小时、60小时或72h；下限选自5min、20min、30min、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时、8小时、10小时、12小时、18小时、24小时、30小时、36小时、42小时、48小时或60小时。可选地，电化学阴极剥离的温度为5～50℃。可选地，所述方法还包括：电化学阴极剥离石墨后，剥离产物经洗涤、超声分散得到石墨烯浆料，再经干燥得到石墨烯纳米片。可选地，洗涤方式为离心、抽滤和透析等方法中的至少一种。可选地，干燥方式为自然晾干、常压加热干燥、真空干燥、喷雾干燥或冷冻干燥中的至少一种。可选地，所得石墨烯纳米片的大小范围为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n以含有氢氧化物的溶液作为电解液，以含有石墨的原料作为电化学阴极，以导电材料作为电化学阳极；/n所述电解液、电化学阳极和电化学阴极构成电化学回路；/n在电化学阴极和电化学阳极之间施加电压，电化学阴极剥离石墨，制备石墨烯纳米片。/n

【技术特征摘要】
1.一种电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以含有氢氧化物的溶液作为电解液，以含有石墨的原料作为电化学阴极，以导电材料作为电化学阳极；
所述电解液、电化学阳极和电化学阴极构成电化学回路；
在电化学阴极和电化学阳极之间施加电压，电化学阴极剥离石墨，制备石墨烯纳米片。


2.根据权利要求1所述的电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在于，所述含有氢氧化物的溶液中的氢氧化物包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化锂、氢氧化锶、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵中的至少一种；
所述含有氢氧化物的溶液中的氢氧化物的浓度为0.01mol/L～15mol/L。


3.根据权利要求1所述的电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在于，所述含有氢氧化物的溶液中的溶剂选自水、腈中的至少一种；
优选地，所述腈选自丙烯腈、己二腈、C1～C14的烷基腈中的至少一种；
优选地，所述C1～C14的烷基腈选自乙腈、丙腈、丁腈、十一腈、十四腈中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在于，所述含有石墨的原料包括天然鳞片石墨、微晶石墨、石墨棒、石墨纸中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的电化学阴极剥离制备石墨烯纳米片的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠帅，周锋，侯晓城，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21