[發(fā)明專利]一種電化學(xué)制備超薄石墨烯納米片的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810374798.4
• 申請(qǐng)日: 2018-04-24
• 公開（公告）號(hào): CN108423663A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣鴻輝;梁彤祥;鄧義群
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/19
• 分類號(hào): C01B32/19;B82Y30/00;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發(fā)明涉及一種電化學(xué)制備超薄石墨烯納米片的方法，屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是以層狀石墨形成的電極為陽極，金屬或石墨電極為陰極，以含羧酸的液相體系作為電解液和插層源，在所述陽極和陰極之間施加一定電流，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，形成羧酸插層石墨化合物，然后進(jìn)行熱剝離和機(jī)械剝離，多次重復(fù)，獲得平均厚度不超過2nm或?qū)訑?shù)不超過5層的超薄石墨烯納米片。本發(fā)明的制備工藝不需要高溫剝離，不產(chǎn)生廢氣，也不使用強(qiáng)酸，可最大程度地降低對(duì)環(huán)境的危害，且本發(fā)明能夠形成更均勻剝離的GICs，適用于生產(chǎn)尺寸更小更均勻的納米級(jí)石墨烯薄片，且本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，能耗低，對(duì)設(shè)備要求低、耗時(shí)短，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種電化學(xué)制備超薄石墨烯納米片的方法。

背景技術(shù)

已知碳具有四種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，包括金剛石、石墨、富勒烯和碳納米管(CNTs)。碳納米管指的是用單壁或多壁生長(zhǎng)的管狀結(jié)構(gòu)，其可以通過將石墨烯片或多個(gè)石墨烯片卷起來形成同心空心結(jié)構(gòu)而獲得，具有幾納米至幾百納米的直徑，可以用作導(dǎo)體或半導(dǎo)體。碳納米管被認(rèn)為在場(chǎng)發(fā)射裝置，氫燃料儲(chǔ)存，燃料電池電極以及復(fù)合增強(qiáng)材料中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，當(dāng)前碳納米管制備工藝不僅存在成品率和生產(chǎn)效率低下導(dǎo)致碳納米管價(jià)格昂貴的問題，同時(shí)，利用目前碳納米管的生產(chǎn)工藝還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，且原料成本高，因此嚴(yán)重阻礙了碳納米管的廣泛應(yīng)用。

石墨烯是繼富勒烯和碳納米管之后，在碳材料領(lǐng)域又一重大發(fā)現(xiàn)。它是一種完全由sp²雜化的碳原子構(gòu)成的厚度僅為單原子層或數(shù)個(gè)單原子層的準(zhǔn)二維晶體材料，具有高透光性和導(dǎo)電性、高比表面積、高強(qiáng)度及柔韌性等優(yōu)異的性能，可望在高性能納電子器件、光電器件、氣體傳感器、復(fù)合材料、場(chǎng)發(fā)射材料及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。目前，石墨烯的制備方法主要有機(jī)械剝離法、液相剝離法，氧化還原法、外延晶體生長(zhǎng)、化學(xué)氣相沉積法等。

納米級(jí)石墨烯片(NGPs)是由一層或多層石墨烯平面構(gòu)成的納米級(jí)片晶或片，片晶厚度為0.34nm(單層)至100nm(多層，包括多個(gè)石墨烯片的堆疊體)，在C-軸或厚度方向上，這些石墨烯平面可通過范德華力弱結(jié)合在一起。

在現(xiàn)有方法中，主要采用插層-剝離方法制得石墨烯，是將石墨薄片分散在插層溶液中插層，再經(jīng)高溫剝離而獲得。插層溶液包含一種或兩種強(qiáng)氧化性酸，所述強(qiáng)氧化性酸為濃硝酸、濃硫酸、氯酸鉀，鉻酸，高錳酸鉀，鉻酸鉀，重鉻酸鉀，高氯酸等；或是其混合物，如濃硝酸和氯酸鹽，鉻酸和磷酸；或是強(qiáng)有機(jī)酸，如三氟乙酸的混合物。這些工藝存在兩個(gè)主要問題：①強(qiáng)酸廢液；②高溫剝離過程中產(chǎn)生的廢氣，這些都涉及環(huán)境污染問題，且對(duì)環(huán)境影響極大，而對(duì)廢棄廢液進(jìn)行二次處理，設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜。另外，插層石墨的剝離溫度一般都在800-1100℃之間，在此高溫下，石墨烯可能被嚴(yán)重氧化，極大地降低石墨烯電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率。再者，現(xiàn)有技術(shù)中的插層-剝離方法可以生產(chǎn)超薄石墨烯薄片(如1-5層)，但所產(chǎn)生的石墨烯薄片厚度均大于10μm，而實(shí)際應(yīng)用中，要求NGP盡可能薄，如作為超級(jí)電容器電極材料。

綜上所述，亟待開發(fā)出一種生產(chǎn)石墨烯薄片的新工藝，在提高成品率和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，避免產(chǎn)生環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種電化學(xué)制備超薄石墨烯納米片的方法。本發(fā)明方法不需要高溫剝離，不產(chǎn)生廢氣，可最大程度降低對(duì)環(huán)境的危害，適用于生產(chǎn)尺寸更小更均勻的納米級(jí)石墨烯薄片。

本發(fā)明上述所述的一種電化學(xué)制備超薄石墨烯納米片的方法，具體包括如下步驟：

(a)以層狀石墨形成的電極為陽極，金屬或石墨電極為陰極，以含羧酸的液相體系作為電解液和插層源，在所述陽極和陰極之間施加一定電流，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，形成羧酸插層石墨化合物，其中，所述施加電流的電流密度為20-600A/m²；插層反應(yīng)時(shí)間為2-5h；