[發明專利]電化學制備氧化石墨烯的方法及裝置

有效

• 申請號: 201780093779.8
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN111032568B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 徐海波;周泉竹
• 申請（專利權）人: 徐海波
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;C01B32/19;C01B32/184;C01B32/182
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 姚亮;張德斌

電化學制備氧化石墨烯的方法及裝置，通過在陰極(5)的表面引入連續流動的電解質溶液(11)形成薄液層，然后將陽極(4)的一端插入之后與陰極(5)形成一定的間隙進行電解制備氧化石墨烯。制備方法具有更高的氧化膨脹解離和切割能力，可以實現產物的粒徑小、層數低、粒徑尺寸分布和氧化深度可控。

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，具體涉及電化學制備氧化石墨烯的方法及裝置。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成的二維(2D)六角型呈蜂巢晶格的平面單層，并且是所有其它維度石墨材料的基本構建模塊。它可以被包裝成零維(0D)的富勒烯，卷成一維(1D)的納米管或堆疊成三維(3D)的石墨。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，如同石墨烯一樣具有單原子層厚度，只是在碳基面和/或邊緣含有大量的其它雜原子官能團。按照碳基面的二維尺寸大小可以分為：1-100nm為氧化石墨烯量子點，大于100nm為氧化石墨烯微片。當厚度為2-10個單原子層厚度時，稱為少層氧化石墨烯量子點或微片。當厚度為11-100個單原子層厚度時，又稱為多層氧化石墨烯量子點或微片。這里為陳述方便，如無特別說明，統一將它們稱為氧化石墨烯。

氧化石墨烯可以工業化生產的方法為化學氧化法。該方法主要是利用石墨本身存在的結構缺陷，以石墨為原料，在強酸、強氧化劑、加熱的條件下得到層間距比石墨顯著擴大的氧化石墨，隨后借助有效的剝離手段即可得到單原子層的氧化石墨烯。目前，國內外很多公司都已發布能夠量產公斤級、噸級的氧化石墨烯微片產品。這些量產技術一般要采用強酸、強氧化劑的化學法處理膨脹石墨，目的是實現石墨的氧化膨脹，差異是在該過程的實施方式和階段或與其它技術的復合，是Brodie、Staudenmaier及Hummers等化學法的改良技術。大量使用強酸、強氧化劑等化學品，高污染，產品的品質差，層數和片徑尺度分布范圍過寬、過大，分散性及穩定性均比較差，直接導致應用時的可控性差。另外，常規的電化學剝離方法也被采用，然而其存在工作電流密度小和電流分布不均勻的問題，導致加工處理耗時長，產物純度和質量低，層數和粒徑分布范圍寬，后期需要繁瑣的純化步驟，產品產率不高。

石墨烯量子點(包括氧化石墨烯量子點)主要是采用自上而下的制備方法，其是指通過物理或化學方法將大尺寸的石墨烯薄片切割成小尺寸的石墨烯量子點。CN102660270A公開了一種溶劑熱法制備熒光石墨烯量子點的方法，該方法首先制備氧化石墨烯，然后利用溶劑熱把氧化石墨烯切割成量子點；CN102616774A公開了一種制備石墨烯量子點的方法，該方法是在水熱切割過程加入胺類鈍化劑；這兩種方法的缺點是高熱、高能、產量低。2012年Chem.Eur.J.的Electrochemical?preparation?of?luminescent?graphenequantum?dots?from?multiwalled?carbon?nanotubes和J.Mater.Chem.的Facilesynthesis?of?water-soluble，highly?fluorescent?graphene?quantum?dots?as?arobust?biological?label?for?stem?cells的研究中，采用電化學剝離制備水溶性較好的石墨烯量子點，但原材料石墨的前期處理工作耗時長，后期純化步驟耗時也較長，產品產率不高。此外，以微晶碳材料為碳源的制備方法也被采用：2012年Nano?Letter發表的Graphene?quantum?dots?derived?from?carbon?fibers中，采用碳纖維為碳源，通過酸處理將纖維中堆垛的石墨剝離，僅一步就能制得大量不同粒徑分布的石墨烯量子點，該法優勢在于步驟簡單和原料便宜，但缺點是制備過程要使用大量的硫酸和硝酸，耗時長，污染嚴重，而且粒徑分布范圍很寬，需要后續的透析分離處理得到更小的粒度，導致有效的制備產率低。