[發明專利]一種高質量水溶性石墨烯的綠色高效電化學制備方法

在審

• 申請號: 201810692136.1
• 申請日: 2018-06-20
• 公開（公告）號: CN108821268A
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發明（設計）人: 韓立靜;仲玉斐;鄭叢叢
• 申請（專利權）人: 青島烯碳瑞爾新材料科技有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種高質量水溶性石墨烯的綠色高效電化學制備方法包括以下步驟：a)芳香族羧酸和金屬氫氧化物的水溶液作為電解液，石墨材料作為陽極材料，鉑片作為陰極材料，兩電極與直流穩壓電源連接；b)接通電源電壓進行電解反應，獲得初步分散的水溶性分散物；c)將步驟b中所獲得的分散物依次進行超聲處理、離心洗滌，得到高固含石墨烯漿液；d)將步驟c得到的高固含石墨烯漿液超聲分散在水中，得到穩定的石墨烯分散液。這種方法的優點是制備原料簡單易得、工藝流程簡單、后處理簡便、成本低、無污染、效率和產率高。制備的石墨烯具有優異的導電導熱以及機械性能，同時，在不添加分散劑的情況下可以在水中穩定分散6個月以上。

技術領域

本發明涉及石墨烯材料制備技術領域，具體涉及一種高質量水溶性石墨烯的綠色高效電化學制備方法。

背景技術

石墨烯是由單層sp²雜化碳原子排列形成的蜂窩狀六角平面二維晶體，在二維平面上，sp²雜化的碳原子通過強的σ鍵與相鄰的三個碳原子連接，剩余的P電子軌道垂直于石墨烯平面，與周圍的原子形成大π鍵，使石墨烯具有良好的導電導熱以及機械性能。石墨烯因其優異的特殊性能一直吸引著科研界與產業界的極大興趣，但是，結構完整的石墨烯是由不含任何不穩定鍵的苯六元環組合而成的二維晶體，化學穩定性高，表面呈惰性狀態，與其他介質(如溶劑等)的相互作用較弱，并且石墨烯的片與片之間有較強的范德華力，容易產生聚集，使其難溶于水及常用的有機溶劑，這給石墨烯的有效分散和廣泛應用造成了極大的困難。

穩定分散的石墨烯溶液對于石墨烯在能源存儲、透明導電器件和復合材料等領域中的應用非常重要。研究表明，未經表面改性的石墨烯粉體通常為疏水性材料，在水和醇類溶劑中不能穩定分散，而在N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)以及二甲基亞砜(DMSO)等高沸點有機溶劑中具有較好的分散性。然而，由于難以完全去除，這些溶劑的使用和殘留往往會對相應產品的性能造成不良的影響，不利于石墨烯的實際應用。而隨著該產業的發展，石墨烯材料在電子、信息、能源、材料和生物醫藥等領域展現出廣闊的應用前景，這要求石墨烯材料具有高品質、無雜質、高導電性的同時具有良好的分散能力以滿足不同應用領域。另外，面對越來越大的市場需求，石墨烯的大規模制備也要求無毒、無污染、低成本、工藝簡單等特點，而現有的石墨烯材料在這些方面還存在很大的挑戰。為了充分發揮其優良性能，改善其成型加工型(如提高溶解性、在基體中的分散性等)，必須對石墨烯進行有效的功能化。

目前，水溶性石墨烯的制備方法主要包括共價鍵功能化方法和非共價鍵修飾方法。

共價鍵功能化方法：該方法是目前研究最為廣泛的功能化方法，通過化學氧化的方法制備石墨烯氧化物，然后利用石墨烯氧化物上含有的大量羧基、羥基和環氧鍵等活性基團與有機物進行反應，然后通過還原石墨烯氧化物制備水溶性石墨烯。2008年，YongchaoSi等在Nanoletters.2008.8.1679-1682一文中報道了一種化學修飾改性制備石墨烯水溶液的方法，他們先用重氮鹽的磺胺酸溶液處理氧化石墨烯，獲得磺酸基修飾的氧化石墨烯，然后在水相中還原氧化石墨烯獲得石墨烯水溶液。

非共價鍵修飾方法：選用具有共軛結構的高分子和小分子作為分散劑，通過π-π相互作用吸附在石墨烯表面來抑制石墨烯的團聚，促進石墨烯在水中的穩定分散。該方法不僅能夠保持石墨烯本身的結構及性質，而且可以改善石墨烯的溶解性，得到大量并可長時間穩定存在的石墨烯分散液?，F在已經有文獻報道利用聚合物與石墨烯之間的π-π非共價鍵，制備水溶性良好的石墨烯。

共價鍵功能化方法制備過程復雜并引入大量的強酸和強氧化劑，污染嚴重，除雜困難，對石墨烯本征結構破壞大，缺陷多，這類功能化石墨烯材料的本質特征顯著降低。而非共價鍵修飾方法中，所得到的石墨烯分散體系中往往含有殘留的表面活性劑、聚合物、化學修飾改性劑等雜質，很難去除，對石墨烯的應用也是不利因素，并且，石墨烯的有效吸附面積減小，降低了其導電性。因此，亟需一種大規模、低成本、無雜質，同時綠色安全的水溶性石墨烯制備技術。