[發明專利]一種利用廢棄石墨電極制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201711115912.3
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107673338B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 紀效波;孫偉;侯紅帥;唐鴻鵠;李思杰;江鋒;趙文青
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;C01B32/194
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 魏娟

本發明公開了一種利用廢棄石墨電極制備石墨烯的方法，該方法以添加離子鍵金屬鹽熔融電解金屬過程中廢棄石墨電極為原料，在其表層剝離出被金屬插層的石墨，此部分石墨在熔鹽電解過程中于高溫下被插層，其再經過液相剝層強化、精細階段離心分級，最后經過分離、凈化、干燥最終制備石墨烯。本發明所制備的石墨烯，少層、比表面積大，能耗低，變廢為寶，具有很好的經濟價值與社會價值。

技術領域

本發明屬于熔融電解石墨電極領域，涉及一種利用廢棄石墨電極材料制備石墨烯的方法。

背景技術

石墨電極的主要由無煙煤和粘結劑組成，在電解過程中，由于高溫加熱、金屬離子插層作用、電化學插層作用、金屬離子和電解質的滲透等熔鹽電解過程中引起的反應，將造成石墨電極的改性、膨脹，甚至損壞。以熔鹽電解鋁過程為例，每產出一噸鋁，將產生20kg～30kg的廢石墨陰極。

目前世界各國電解鋁廠對廢石墨陰極炭塊大多采用露天堆存或填埋處理，科研工作者也研發了一系列處理方法，包括有焙燒法、浮選法和硫酸分解法等等，但現有的這些方法主要集中在石墨陰極的無害化處理上，處理過程復雜且成本較高，并且產出的產品經濟附加值相對較低，未能充分利用石墨電極的經濟價值。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明旨在提供一種利用廢棄石墨電極制備石墨烯的方法，本發明制備成本低，產率高，變廢為寶，具有很好的經濟價值和社會價值。

本發明一種利用廢棄石墨電極制備石墨烯的方法，包括如下步驟：

步驟一：廢棄石墨電極的預處理、純化、液相剝層強化

從廢棄石墨電極上獲取表層，將表層粉碎為粒徑20μm～60μm的石墨粉，再將石墨粉置于液相純化剝層液中，進行純化及剝層強化處理，控制處理過程中液相純化剝層液的pH值為0.5～2，處理完后，靜置、分層，上層為含石墨烯的濁液、下層為粗粒石墨及難溶雜質顆粒，將上層、下層分離，獲得上層含石墨烯的濁液備用，所述液相純化剝層液含有鋁離子鹽，所述鋁離子鹽按鋁元素與石墨粉的質量比為1：10～50進行配取與添加，所述廢棄石墨電極為熔融電解制備金屬過程所產生的廢棄石墨電極或廢舊鈉離子電池石墨電極；

步驟二：離心分級

將含石墨烯的濁液進行離心分級，分別得到微米級顆粒、亞微米級顆粒以及含納米級顆粒的懸浮液，所述含納米級顆粒的懸浮液即為含石墨烯的懸浮液；

步驟三：后處理

將步驟二所得的含石墨烯的懸浮液經過固液分離、洗滌、干燥即獲得石墨烯。

本發明中，步驟一中分離后的下層可作為粗粒石墨和鈉、鋁、氟回收的原料；步驟二中所得微米級顆粒也作為粗粒石墨和鈉、鋁、氟回收的原料；步驟二中所得亞微米級顆粒繼續處理制備石墨烯。

本發明中，步驟一中，通過特定pH值下含有鋁離子鹽的液相純化剝層液，對石墨粉同時實現純化及液相剝層強化，并且在整個處理過程中，避免了雜質中HF的釋放，實現了環境友好的處理。

本發明一種利用廢棄石墨電極制備石墨烯的方法，步驟一中，所述廢棄石墨電極，為添加離子鍵金屬鹽熔融電解制備金屬過程中產生的廢棄石墨電極。廢棄石墨電極在熔融電解過程經歷加熱、金屬離子插層作用、電化學插層作用，這些作用雖然使電極損壞，同時也是廢棄石墨電極充分插層的過程，石墨的片層結構被充分打開。本發明中對于廢棄電池在熔融電解過程中循環使用次數不受限定。

優選地，本發明一種利用廢棄石墨電極制備石墨烯的方法，所述離子鍵金屬鹽的金屬離子半徑為50pm～150pm。作為進一步的優選，所述離子鍵金屬鹽的金屬離子為鋰、鋁、鐵、鈉、鉀、鎂中的至少一種。

優選地，本發明一種利用廢棄石墨電極制備石墨烯的方法，所述的離子鍵金屬鹽的陰離子氟離子、氯離子中的至少一種。