[發明專利]一種電化學陰極剝離制備石墨烯納米片的方法

有效

• 申請號: 201911276073.2
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN111217361B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 吳忠帥;周鋒;侯曉城
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 張瑩;楊曉云

本申請公開了一種電化學陰極剝離制備石墨烯納米片的方法，其特征在于，包括以下步驟：以含有氫氧化物的溶液作為電解液，以含有石墨的原料作為電化學陰極，以導電材料作為電化學陽極；所述電解液、電化學陽極和電化學陰極構成電化學回路；在電化學陰極和電化學陽極之間施加電壓，電化學陰極剝離石墨，制備石墨烯納米片。該方法相對更加綠色環保，以可溶性氫氧化物為電解液，通過電化學陰極剝離石墨的方法，一步合成石墨烯納米片。

技術領域

本發明屬于石墨烯材料的可控制備技術領域，具體涉及在一種水溶液中進行電化學陰極剝離制備石墨烯納米片的方法。制備的石墨烯納米片展現了優異的化學性能，可廣泛應用于超級電容器、電池、導電油墨等領域。

背景技術

自從利用微機械剝離方法剝離獲得高質量石墨烯以來，石墨烯所具有的獨特導電導熱以及機械性能一直吸引著科研界與產業界極大的興趣。由于優異性能，石墨烯的市場需求也越來越大，這要求石墨烯材料的制備不斷改善并能夠實現綠色無污染的制備技術以獲得大批量高質量的石墨烯。然而目前的制備技術還存在一些挑戰。首先，可獲得高質量石墨烯的化學氣相沉積技術和外延生長法存在產率低、高能耗和轉移困難等問題；另外，化學氧化還原法雖然可以實現大規模制備石墨烯，但存在大量含氧基團連接在石墨烯片層上，導致石墨烯的導電導熱性能大幅度降低。超聲剝離法和液相剪切剝離法能夠得到高質量的石墨烯材料，但所獲得的石墨烯橫向尺寸偏小，最重要的是產率很低，往往產率低于5％，經濟性差，總的性價比依然不高。

針對現有的石墨烯制備技術，要么高質量高成本，要么成本低質量差，石墨烯產業發展亟需一種高質量、低成本且綠色無污染的制備技術，以突破石墨烯材料瓶頸。電化學制備石墨烯是可能的途徑之一。在已經公開的電化學制備石墨烯的文獻和專利中，主要是把石墨電極作為陽極進行剝離，所使用的電解液可以分為離子液體，強酸，以及一些鹽溶液。其中最有代表性采，相對最綠色的過程是以硫酸銨作為電解液(J.Am.Chem.Soc.2014,136,6083-6091)，這種方法獲得的產率高達85％，反應時間短，但是這種方法，面臨著硫酸根離子在電解過程中也會有少量SO₂有毒氣體產生，不夠環保和安全的問題。另外陽極剝離的方法不可避免的要氧化石墨烯片層，從而造成更多的缺陷，降低石墨烯質量和導電性。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供了一種電化學陰極剝離制備石墨烯納米片的方法，該方法相對更加綠色環保，以可溶性氫氧化物為電解液，通過電化學陰極剝離石墨的方法，一步合成石墨烯納米片。此制備方法未見報道。

所述電化學陰極剝離制備石墨烯納米片的方法，其特征在于，包括以下步驟：

以含有氫氧化物的溶液作為電解液，以含有石墨的原料作為電化學陰極，以導電材料作為電化學陽極；

所述電解液、電化學陽極和電化學陰極構成電化學回路；

在電化學陰極和電化學陽極之間施加電壓，電化學陰極剝離石墨，制備石墨烯納米片。

作為一種實施方式，所述的電化學陰極剝離制備石墨烯納米片的方法，通過以下步驟實現：

以可溶性氫氧化物為剝離用電解液，石墨為原料連接直流電源的負極，一種導電材料作為對電極連接直流電源的正極，常溫常壓條件下，施加合適的槽電壓進行電化學剝離，剝離產物經洗滌、超聲分散得到石墨烯漿料，再經干燥得到石墨烯粉體。

可選地，所述含有氫氧化物的溶液中的氫氧化物包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇、氫氧化鋰、氫氧化鍶、四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨中的至少一種。

可選地，所述含有氫氧化物的溶液中的氫氧化物的濃度為0.01mol/L～15mol/L。

可選地，所述含有氫氧化物的溶液中的氫氧化物的濃度為1mol/L～10mol/L。