[發(fā)明專利]高通量、連續(xù)化的氧化石墨烯分離方法及裝置

有效

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• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN104096479B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發(fā)明（設計）人: 張東;劉泳
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學
• 主分類號: B01D57/02
• 分類號: B01D57/02;C01B31/04
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司31225
• 代理人: 葉敏華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氧化石墨烯分離方法，尤其是涉及一種高通量、連續(xù)化的氧化石墨烯分離方法及裝置，屬于石墨烯納米材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯，一種準二維原子晶體材料，其優(yōu)良性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)掀起了科學家繼富勒烯和碳納米管之后對碳同素異形體材料探索研究的第三次浪潮。石墨烯獨特的性能使其在納米電子器件(納米晶體管、納米傳感器)、復合材料、超輕超硬材料、透明導電材料、超級電容器、鋰離子電池、儲氫材料以及生物兼容材料等領(lǐng)域具有廣闊的應用研發(fā)前景。未來石墨烯發(fā)展的其中一個重要方向就是通過大規(guī)模、高質(zhì)量、低成本的石墨烯制備技術(shù)，推動石墨烯在能源、信息領(lǐng)域的突破性應用。就其制備方法而言，化學氧化還原法由于其原料價廉易得、制備過程簡單而被認為是目前最有可能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化制備石墨烯的方法。同時對于納米材料而言，其尺寸大小會嚴重影響其物化性能。而化學法生產(chǎn)的石墨烯尺寸具有多分散性，其橫向尺寸差異較大，從幾十納米到幾微米。不同尺寸大小的石墨烯由于具有不同的理化性能而適用于不同的應用領(lǐng)域。對于多分散性的石墨烯而言，因其制備產(chǎn)物尺寸的不可控性，將會極大限制其工業(yè)應用潛力。因此在石墨烯的生產(chǎn)制備過程中需要加入分離工序，以獲取具有特定結(jié)構(gòu)參數(shù)的石墨烯。隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程的加快，關(guān)于石墨烯及其衍生物分離方法的研究與開發(fā)勢在必行。

目前針對石墨烯及其衍生物尺寸分離的研究報道比較少，主要有離心分離法(常規(guī)離心分離法，密度梯度超離心分離法)、pH調(diào)節(jié)分離法、毛細管電泳法、普通電泳分離法(參見中國發(fā)明專利，其申請?zhí)枮?01110103670.2)等。其中離心分離受限于離心分離設備，特別對于密度梯度超離心分離法還需制備分離介質(zhì)層，會引入雜質(zhì)，對分離樣品造成污染，而不能達到綠色大規(guī)模制備的要求。pH調(diào)節(jié)分離法則需要通過控制體系的pH值來達到分離的效果，操作繁瑣，同樣無法實現(xiàn)大規(guī)模制備分離。毛細管電泳法是以毛細管(幾十微米)為分離通道，以高壓電源(30kV左右)為驅(qū)動力來實現(xiàn)分離，其微米級的分離通道顯然不適于高通量制備型的分離。對于普通電泳分離法而言，樣品的分離和收集在同一容器內(nèi)，且分離后的樣品都存放在同一個分離槽內(nèi)，會造成分離樣品存在交叉污染的可能，其分離的精確性和連續(xù)性受到了極大的限制。

自由流電泳是一種具有可連續(xù)分離，無固體支持介質(zhì)和分離條件溫和等優(yōu)勢的半制備型分離技術(shù)。目前廣泛應用于生物大分子的分離純化和制備。石墨烯及其衍生物在尺寸上與生物分子十分接近，考慮到帶電氧化石墨烯片層與生物分子在電場中的運動行為的相似性，運用自由流電泳技術(shù)達到氧化石墨烯的制備型分離是一種新的思路方法。然而目前生物領(lǐng)域所使用的自由流電泳裝置，其分離產(chǎn)量約0.1g/h(Rachel?R.Peterson，David?E.Cliffel，Continuous?Free-Flow?Electrophoresis?of?Water-Soluble?Monolayer-Protected?Clusters，Anal.Chem.2005，77，4348-4353)，雖能達到生物領(lǐng)域的要求，但尚無法達到石墨烯領(lǐng)域的高通量規(guī)模化制備型分離的要求。要完成有關(guān)石墨烯的分離研究，需要對現(xiàn)行的自由流電泳裝置進行改進。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠獲得橫向尺寸分布較窄的氧化石墨烯片層的高通量、連續(xù)化的氧化石墨烯分離方法及裝置。

本發(fā)明的具體作用原理如下：氧化石墨烯水溶液由于其表面的官能團(羧基)水解電離而呈現(xiàn)負電。不同尺寸的氧化石墨烯片層帶電量不同，其在電場中的電泳遷移率也就不同，且氧化石墨烯片層尺寸越小，電泳遷移率越大。外加電場方向與樣品流動方向垂直，電泳遷移率不同的樣品在電場的作用下與液流方向形成不同的偏轉(zhuǎn)角，在分離室末端的不同出口位置流出，從而達到尺寸分離的目的。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種高通量、連續(xù)化的氧化石墨烯分離方法，包括以下步驟：

(1)氧化石墨烯的制備：將氧化石墨與去離子水按一定的質(zhì)量比進行稱量配比，并充分攪拌后，得到不同質(zhì)量濃度的棕色氧化石墨分散液。將其放入超聲清洗機中超聲剝離30min～150min，從而制得氧化石墨烯水溶液。

(2)緩沖液的制備：配制pH＝11的氫氧化鈉溶液作為緩沖液。