一种高氧化石墨烯的制备装置及制备方法和应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种制备高氧化石墨烯的装置和制备方法，属于石墨烯制备领域。该装置包括电解阳极、电解阴极、反应容器、直流电源、冷却装置；其中，所述电解阳极由多层孔径递减的金属网状结构构成，所述金属网状结构互相固定并实现电接触。通过该结构改进，电解阳极自上而下分为多层网筛结构，使得剥离下来的氧化石墨烯从上层的孔洞中掉落至下层，然后在下层阳极上继续进行氧化，解决了现有技术直接将石墨作为阳极，造成剥离后的石墨烯离开阳极，材料氧化不充分、层状结构不均匀的问题。层状结构不均匀的问题。层状结构不均匀的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高氧化石墨烯的制备装置及制备方法和应用


[0001]本专利技术是属于石墨烯制备领域，特别是关于一种高氧化石墨烯的制备装置及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。
[0003]氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，作为石墨烯基材料一类重要的衍生物，尽管氧化过程破坏了石墨烯高度共轭结构，但是仍保持着特殊的表面性能与层状结构。含氧基团的引入不仅使得氧化石墨烯具有化学稳定性，而且为合成石墨烯基/氧化石墨烯基材料提供表面修饰活性位置和较大的比表面积。氧化石墨烯作为合成石墨烯基复合材料的前驱物与支撑载体，易功能化与可控性高。在与金属，金属氧化物，高分子聚合物等材料复合过程中，可以提供大的比表面积有效分散附着材料，防止团聚。
[0004]氧化石墨烯也显示出自身优异的物理、化学、光学、电学性质，并且由于石墨烯片层骨架的基面和边缘上有多种含氧官能团共存的结构，使得氧化石墨烯可以通过调控所含含氧官能团的种类及数量，来调制其导电性和带隙.材料应用范围很广。氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料更是具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。
[0005]目前，大规模制备石墨烯的技术路线主要有化学氧化还原法，CVD法和液相剥离方法。化学氧化还原法可以得到高产量的少层氧化石墨烯，但是在其制备过程中，需要采用强酸和强氧化剂对石墨进行插层和剥离，不仅造成严重的环境污染，同时引起石墨烯结构的不可逆的破坏。CVD法制备石墨烯是利用高温下甲烷分子的裂解，在金属铜表面催化沉积，从而得到高品质的石墨烯，这种方法对设备要求很高，投入成本大，并且后续在将石墨烯大面积无损转移至器件表面过程中存在很大的困难。而液相剥离法制备出的石墨烯层数较厚，并且同样会使用到大量有机溶剂。
[0006]目前电化学法制备石墨烯是利用电化学反应将石墨烯从块体或者粉体原料中剥离出来，并进行超声分散获得石墨烯的方法。这类方法通常以采用恒电压、恒电流电源，以柔性石墨纸、石墨棒为工作电极，在电场的作用下，由电解水生成的氢氧根离子作为强亲核剂，攻击石墨边缘和晶界处sp2杂化的碳原子，使相邻两个碳原子羟基化。这导致边缘石墨的层间膨胀及去极化，促使电解质离子及水分子插层，同时电解水产生的气体，进一步促进
了石墨的剥离，形成氧化石墨烯。这类方法，无需使用强氧化剂，可以通过改变施加的电压、电流、电解质浓度来调控石墨的氧化和剥离程度。由于其具备绿色环保，安全性高的特点，有望成为大规模制备石墨烯的方法。但是，现有的电化学法制备的石墨烯存在石墨烯氧化度低、片层厚度不均一等问题。
[0007]需要说明的是，本专利技术公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于解决现有的电化学法制备的氧化石墨烯存在的氧化度低、片层厚度不均一的技术问题。同时，采用本专利技术公开的装置进行高氧化石墨烯的制备，可以提升产品性能和质量，便利石墨烯的收集和取用。
[0009]本专利技术的另一目的，是提供一种高氧化石墨烯的制造方法，其通过电极装置的多层网状结构设计，增加石墨材料在电极表面的氧化时间，同时增加气体排出通道，促使石墨的嵌入与剥离步骤更具效率性、均匀性，且使电解液不会产生不均的温度梯度，而更利于电化学剥离法的制造生产石墨烯的性能稳定。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了一种高氧化石墨烯的制造装置，包括电解阳极、电解阴极、反应容器、直流电源、冷却装置；其中，上述电解阳极由N层孔径递减的金属网状结构构成，上述金属网状结构互相固定并实现电接触，其中，N≥2。
[0011]在本专利技术的一实施方式中，上述电解阳极包括：顶层、反应层、滞留层，上述电解阳极顶层孔径小于反应层，滞留层孔径小于反应层。
[0012]在本专利技术的一实施方式中，上述顶层的孔径为600至800目，上述反应层的孔径为400
‑
600目，上述滞留层的孔径为小于200目。
[0013]在本专利技术的一实施方式中，上述电解阳极的材质为钛金属、铂金属或表面为惰性金属的合金材料；上述滞留层为具有微纳米结构或者实心的金属板材；上述反应容器内阴级与阳极电极之间的距离为1
‑
20cm。
[0014]本专利技术还提供一种采用上述设备制备高氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：
[0015](1)将电解阳极和电解阴极置于装有电解液的反应容器中，将石墨材料置于电解阳极中央，接通电源，打开冷却装置，在特定电压下实现电化学剥离；
[0016](2)待反应结束，过滤电解液并收集石墨烯初级粉体，对上述石墨烯初级粉体进行洗涤和干燥，得到石墨烯粉体产品。
[0017]在本专利技术的一实施方式中，上述石墨材料为鳞片石墨、石墨纸、石墨板、石墨粉、石墨箔、膨胀石墨中的一种或多种。
[0018]在本专利技术的一实施方式中，上述电解液为选自高氯酸盐溶液，过氧化氢溶液，过硫酸盐，磷酸盐溶液，硝酸盐，硫酸盐溶液中的一种或多种的硫酸盐溶液，上述电解液的浓度为0.1M～5M。
[0019]在本专利技术的一实施方式中，上述电解阳极电极材料为耐腐蚀的金属电极，如钛电极，铂电极，金电极，铱钽电极，合金类电极等。
[0020]在本专利技术的一实施方式中，上述特定电化学剥离电压为3
‑
30V；上述干燥方式为冷
冻干燥、真空干燥、喷雾干燥中的一种或多种。
[0021]本专利技术还提供一种通过以上方法获得的高氧化石墨烯。
[0022]本专利技术还提供一种通过以上方法制备得到的高氧化石墨烯在晶体管、太阳能电池、柔性传感器、生物医学工程、纳米医学、肿瘤治疗、组织工程、药物释放、生物成像和生物分子传感中的应用。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有下述优点：
[0024]1、本专利技术将电化学工艺装置的电解阳极进行了多层网状结构的设计，通过该结构改进，电解阳极自上而下分为多层网筛结构，使得剥离下来的氧化石墨烯从上层的孔洞中掉落至下层，然后在下层阳极上继续进行氧化，解决了现有技术直接将石墨作为阳极，造成剥离后的石墨烯离开阳极，材料氧化不充分、层状结构不均匀的问题；
[0025]2、本专利技术设计的电解阳极增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，包括电解阳极(1)、电解阴极(2)、反应容器(3)、直流电源(4)、冷却装置(5)；其中，所述电解阳极(2)由N层孔径递减的金属网状结构(14)构成，所述金属网状结构互相固定并实现电接触，其中，N≥2。2.一种根据权利要求1所述的高氧化石墨烯的制备装置，其特征在于，所述电解阳极(1)包括：顶层(11)、反应层(12)、滞留层(13)，所述电解阳极顶层(11)孔径小于反应层(12)，滞留层孔径小于反应层(13)。3.一种根据权利要求2所述的高氧化石墨烯的制备装置，所述顶层(11)的孔径为600至800目，所述反应层(12)的孔径为400
‑
600目，所述滞留层(13)的孔径为小于200目。4.一种根据权利要求2所述的高氧化石墨烯的制备装置，所述电解阳极(1)的材质为钛金属、铂金属或表面为惰性金属的合金材料；所述滞留层(13)为具有微纳米结构或者实心的金属板材；所述反应容器(3)内阴级与阳极电极之间的距离为1
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20cm。5.一种制备高氧化石墨烯的方法，其特征在于：其采用权利要求1
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5任一项所述的装置，包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文苗，陈杰，李梦雨，裴晓东，
申请(专利权)人：中钢集团南京新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：