[發(fā)明專利]親水性石墨烯薄膜的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410065935.8
• 申請(qǐng)日: 2014-02-26
• 公開（公告）號(hào): CN103871753A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈寶平;王秋澤;吳昊;丁建寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇昊華精細(xì)化工有限公司;常州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/24
• 分類號(hào): H01G11/24;H01G11/32;H01G11/86;C01B31/04
• 代理公司: 淮安市科翔專利商標(biāo)事務(wù)所 32110
• 代理人: 韓曉斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯薄膜的制備方法，具體涉及一種親水性石墨烯薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

電容式去離子是一種新興的海水淡化技術(shù)，主要是利用多孔電極材料在直流電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的電吸附作用去除溶液中的帶電離子，具有效率高、無污染和能耗低等特點(diǎn)。根據(jù)其基本工作原理，理想電容吸附電極要具備高比表面積、良好的導(dǎo)電性、大小合適的孔隙結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的潤(rùn)濕性（Oren?Y.?Capacitive?deionization?(CDI)?for?desalination?and?water?treatment—past,?present?and?future?(a?review)[J].?Desalination,?2008,?228(1):?10-29.）。目前大多數(shù)CDI是基于碳材料包括碳?xì)饽z電極、激活碳、有序介孔碳、碳納米管以及石墨烯等。

石墨烯，是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有高達(dá)2630?m²?/?g的理論面積、7200?S?/?m的室溫電導(dǎo)率和較大的機(jī)械強(qiáng)度（Novoselov?K?S,?Geim?A?K,?Morozov?S?V,?et?al.?Electric?field?effect?in?atomically?thin?carbon?films[J].?science,?2004,?306(5696):?666-669.），Yang等人經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單層石墨烯的水接觸角為92.5^?o，這一性質(zhì)嚴(yán)重限制其親水性及其在電容式去離子的性能。Koratkar等人通過研究發(fā)現(xiàn)采用控制石墨烯片表面的粗糙度和表面化學(xué)能可以調(diào)整石墨烯的接觸角從而增加其親水性（Rafiee?J,?Rafiee?M?A,?Yu?Z?Z,?et?al.?Superhydrophobic?to?superhydrophilic?wetting?control?in?graphene?films[J].?Advanced?materials,?2010,?22(19):?2151-2154.）。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供一種親水性石墨烯薄膜的制備方法，通過減小石墨烯的接觸角來增加石墨烯薄膜的親水性，提高其在電容去離子方面的能力。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是它包括以下步驟：

（1）將氧化石墨烯粉末依質(zhì)量比1:100~1000加入去離子水中，超聲分散0.5~2h，得分散均勻的氧化石墨烯懸浮液；

（2）將0.1~5g鐵粉末、5~100?mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~50%鹽酸溶液加入步驟1的氧化石墨烯懸浮液中，室溫機(jī)械攪拌60?min后靜置1h；

（3）向步驟2的混合液中繼續(xù)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~50%鹽酸溶液直至其中的鐵粉末完全去除，過濾分離，并用去離子水和乙醇溶液清洗數(shù)次，置于溫度433K烘箱中干燥6?h后取出；

（4）向步驟3的產(chǎn)物中依質(zhì)量比1：1~10加入磺化劑，并將其放置在冰浴中2?h后取出，用去離子水清洗干凈，真空過濾收集后重新超聲分散于水中，再依質(zhì)量比1：1~10加入還原劑后置于473K條件下持續(xù)攪拌12?h，過濾洗滌，真空干燥得到親水性石墨烯粉末；所述的磺化劑為苯磺酸重氮鹽或苯乙烯磺酸鈉，還原劑為硼氫化鈉或水合肼；

（5)向親水性石墨烯粉末中加入石墨粉和聚四氟乙烯，混均，通過壓片法按壓到石墨烯紙上，得到親水性石墨烯薄膜電極；其中，向親水性石墨烯粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，石墨粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，聚四氟乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：通過控制引入酸性硫酸基團(tuán)體減小石墨烯薄膜的接觸角，增大石墨烯潤(rùn)濕性和比表面積，改善石墨烯的親水性，電容式去離子能力強(qiáng)且無二次污染；通過引入磺酸基團(tuán)，磺化后的石墨烯薄膜的水接觸角由原先的79.3^o?下降到39.5^o，比表面積也比未經(jīng)磺化過的薄膜增大了55%?；將石墨烯薄膜應(yīng)用到超級(jí)電容器上，電容式去離子的效率達(dá)到了83.4%，電容吸附量增加到8.6?mg/g，而未經(jīng)磺酸化的電容式去離子效率為40%，電容吸附量為4.1?mg/g；這些參數(shù)的對(duì)比說明了磺酸化后的石墨烯薄膜在電容式去離子上的能力提升了109%，通過這種方法得到的石墨烯薄膜在薄膜超級(jí)電容器去離子領(lǐng)域有較好的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

附圖說明

圖1磺酸化的石墨烯接觸角和未經(jīng)磺酸化的接觸角的對(duì)比圖。