一种调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法技术

本发明专利技术属于氧化石墨烯材料制备领域，具体为一种调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法。在电解液中，以受网孔容器空间限制和挤压的石墨原料作为反应阳极，调整石墨原料所受的压力和阳极与阴极之间的电压，依次发生插层反应和氧化反应；对氧化反应完成后的阳极物质进行剥离和清洗，得到氧化石墨烯材料。该方法能够保证石墨原料充分电解氧化，氧化度可控，减少电解液用量和降低浓度，可用于氧化石墨烯的规模化制备。规模化制备。

【技术实现步骤摘要】
一种调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法


[0001]本专利技术属于氧化石墨烯材料制备领域，具体为一种调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法。

技术介绍

[0002]氧化石墨烯是石墨烯最重要的衍生物，氧化石墨烯的基面和边缘含有大量的含氧官能团，具有良好的分散性和可组装性。除了作为制备石墨烯的前驱体，氧化石墨烯也广泛应用于透明导电薄膜、印刷电子、电化学电容器、锂电池、聚合物复合材料等领域。
[0003]现在氧化石墨烯的规模化制备普遍采用以Hummers法为代表的化学氧化法，通过浓硫酸、高锰酸钾等强氧化剂来氧化石墨原料，获得氧化石墨烯产物。但化学氧化法在制备过程中存在环境污染严重、有爆炸的危险、耗水大、反映周期长等问题。电化学法制备氧化石墨烯具有绿色、安全、低成本等优点，被认为是最具前景的氧化石墨烯规模化制备方式。根据反应步骤的不同，电化学法可以分为一步电化学法和两步电化学法，学术期刊《ACS可持续化学与工程》(Fang S,Lin Y,Hu Y H.Recent advances in green,safe,and fast production of graphene oxide via electrochemical approaches.《ACS Sustainable Chemistry&Engineering》,2019年第7卷第15期第12671
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12681页.表1)，对于目前电化学法制备氧化石墨烯做出了总结，两步电化学法具有更好的氧化效果。学术期刊《自然
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通讯》(Pei,S.,et al.,Green synthesis of graphene oxide by seconds timescale water electrolytic oxidation.《Nature Communications》,2018年第9卷第1期第1
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9页)，指出了预插层处理对于提高氧化效果至关重要，该研究采用柔性石墨纸为原料，石墨纸首先在浓硫酸(98wt％)中发生插层反应，生成蓝色的一阶石墨层间化合物，石墨层间化合物然后在稀硫酸(50wt％)中进行氧化反应，经过剥离、清洗后得到高质量的氧化石墨烯分散液。学术期刊《美国化学学会》(Cao,J,et al.Two
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Step Electrochemical Intercalation and Oxidation of Graphite for the Mass Production of Graphene Oxide.J.Am.Chem.Soc.2017,139,17446
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17456.)报道了另外一种两步电化学法，该研究采用石墨纸为原料，在浓硫酸(95wt％)和硫酸铵溶液(0.1M)中分别进行插层反应和氧化反应，同样成功制备了氧化石墨烯分散液。
[0004]目前报道的两步电化学法制备方法普遍采用连续状的石墨片材或块材作为石墨原料，依次在电解液中发生插层反应和氧化反应。存在的问题是，随着反应的进行，石墨原料容易过早剥离，导致电解通路断开，很难进行充分氧化。在电解过程中，大量的电解液会渗入石墨原料中，电解液消耗量大，并且产物清洗困难。因此，亟需一种能够保证充石墨原料充分氧化，电解液消耗量小的规模化制备工艺。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，通过对石墨原料进行空间限制和压力调节来保证石墨原料的充分氧化，并减
少电解液的消耗，实现氧化石墨烯的高质量、低成本制备。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，在电解液中，以受网孔容器空间限制和挤压的石墨原料作为反应阳极，调整石墨原料所受的压力和阳极与阴极之间的电压，依次发生插层反应和氧化反应；对氧化反应完成后的阳极物质进行剥离和清洗，得到氧化石墨烯材料。
[0008]所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，网孔容器是由一层或一层以上的网孔材质叠加而成，网孔材质包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、四氟或陶瓷；网孔的形状包括但不限于圆形、矩形或线条形，网孔容器的空隙面积所占比例的范围为0.1％～99％，优选的范围为40％～60％。
[0009]所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，石墨原料是天然石墨、人造石墨、块状石墨、鳞片石墨、隐晶质石墨、膨胀石墨或石墨粉中的一种或两种以上的复合体；反应阴材包括但不限于铂、铜、镍、金或石墨对应的板材、网材、丝材或棒材。
[0010]所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，电解液是酸或盐中一种或两种以上非反应体系的混合；其中，酸包括但不限于硫酸、硝酸、高氯酸、磷酸、盐酸、醋酸、三氟乙酸、三氟甲磺酸、氯磺酸或魔酸，盐包括但不限于硫酸铵、硫酸钾、硫酸钠、硫酸镁、高氯酸钾或过硫化钠，电解液浓度范围为0.1％～100％，优选的范围为60％～98％。
[0011]所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，插层反应施加的压力包括但不限于恒定压力或变动压力，压力范围是0～50MPa，优选的范围为0～1MPa，阳极与阴极之间施加的电压包括但不限于恒定电压或变动电压，电压范围是1～100V，优选的范围为2～10V；氧化反应施加的压力范围是0～20MPa，优选的范围为0～2MPa，阳极与阴极之间施加的电压范围是2～1000V，优选的范围为2～100V。
[0012]所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，网孔容器空间限制和挤压石墨原料的方式包括但不限于限制膨胀空间、弹簧紧固、电动加压、液压器加压和气动器加压中的一种或两种以上混合施加。
[0013]所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，反应阳极与反应阴极之间施加电压是连续直流电压、脉冲直流电压、交流电压中的一种或两种以上混合施加。
[0014]所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，对氧化反应完成后的阳极物质进行剥离方式包括机械剪切、超声破碎、高压均质中的一种或两种以上组合施加，对氧化反应完成后的阳极物质进行清洗方式包括离心清洗、压滤清洗、错流清洗中的一种或两种以上方式组合施加。
[0015]本专利技术的技术原理是：
[0016]两步电化学法制备氧化石墨烯具有绿色、高效、安全、氧化效果好等特点，是最具前景的氧化石墨烯规模化制备方式。本专利技术采用了孔状容器对石墨原料进行空间限制和挤压，保证了石墨原料能够持续参与有效的电解反应，经过插层和氧化两步电化学反应，得到充分氧化的氧化石墨烯材料。
[0017]插层反应中，由于电解液中电场的作用，电解液中的离子进入石墨原料形成一阶或低阶的石墨层间化合物，石墨分子层间距增大。在氧化反应中，电解液中的水在电解过程中，分解产生的自由基，对阳极的石墨原料进行氧化，生成含氧官能团。同时，阳极产生的气
体使得石墨分子层间距进一步增大，由于有孔状容器对石墨原料进行空间限制和挤压，石墨分子层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，在电解液中，以受网孔容器空间限制和挤压的石墨原料作为反应阳极，调整石墨原料所受的压力和阳极与阴极之间的电压，依次发生插层反应和氧化反应；对氧化反应完成后的阳极物质进行剥离和清洗，得到氧化石墨烯材料。2.按照权利要求1所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，网孔容器是由一层或一层以上的网孔材质叠加而成，网孔材质包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、四氟或陶瓷；网孔的形状包括但不限于圆形、矩形或线条形，网孔容器的空隙面积所占比例的范围为0.1％～99％。3.按照权利要求1所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，石墨原料是天然石墨、人造石墨、块状石墨、鳞片石墨、隐晶质石墨、膨胀石墨或石墨粉中的一种或两种以上的复合体；反应阴材包括但不限于铂、铜、镍、金或石墨对应的板材、网材、丝材或棒材。4.按照权利要求1所述的调节压力可控电解制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，电解液是酸或盐中一种或两种以上非反应体系的混合；其中，酸包括但不限于硫酸、硝酸、高氯酸、磷酸、盐酸、醋酸、三氟乙酸、三氟甲磺酸、氯磺酸或魔酸，盐包括但不限于硫酸铵、硫酸钾、硫酸钠、硫酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪进华，韦覃伟，黄坤，成会明，刘永生，
申请(专利权)人：深圳烯材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：