CN101469431A - 同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法 - Google Patents

同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法 Download PDF

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Abstract

一种同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，该方法以石墨板为阳极，在含有去离子水的电解池中通电1～15天后，得到纳米碳和苯六甲酸的溶液。然后使纳米碳沉降，离心分离，得到不同尺寸的纳米氧化石墨颗粒或石墨片和含苯六甲酸的黄色溶液。再利用乙醇萃取，将萃取后的溶液浓缩，在50～80℃下蒸干，得到苯六甲酸固体。该方法利用电化学氧化石墨电极的方法，经过分离得到单分散不同纳米尺寸的氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸。该制备方法具有工艺简单，成本低，没有环境污染，操作条件易控，产物丰富，不含其它添加剂等优点。

Description

同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米碳材料和苯六甲酸的制备与分离方法，尤其涉及一种利用电化学氧化方法制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法。
背景技术
纳米碳材料制备和应用是目前世界上纳米材料研究的热门课题。但纳米粒子小、表面积大、表面能高，具有强烈的吸附性，存在很强的自聚作用，容易形成较大尺寸的团聚体；同时其表面的极性官能团、非极性官能团含量很低，与其它物质的亲和力小，所以很难稳定分散在各种极性和非极性溶剂中，这限制了其广泛应用。
目前纳米碳材料科学研究中存在的几个技术难题是：第一，颗粒尺寸均一、稳定的纳米碳颗粒很难制备。第二，由于纳米颗粒尺寸非常小，非常容易团聚，难以制备稳定而高度分散的碳溶液。第三，石墨片具有奇特的物理与化学性质，但通常合成石墨片的成本比较高，一般只能采用物理方法。其次，苯六甲酸是一种主要的化学工业原料，它的合成和分离方法比较少，特别是分离方法比较难。
发明内容
为弥补上述缺陷，本发明的目的是提供一种纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的制备方法，本方法可以同时制备出稳定的不含任何表面活性剂的纳米碳溶液、单分散的纳米氧化石墨颗粒、石墨片以及苯六甲酸，以解决以上技术难题。
一种同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，包括以下步骤：
①以石墨板作为阴极，石墨板或金属板作为阳极，阴极与阳极间距为1～5cm，将电极放在盛有去离子水的容器中；
②在阴极与阳极之间，控制恒定电流密度0.02～200mA/cm2或控制恒定电压1～100V，在15～50℃条件下通电1～15天后，得到含有纳米碳的混合溶液；
③将上述混合溶液在1000～10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液，向所述纳米碳溶液中加入电解质，使纳米碳沉降，得到不同尺寸的纳米氧化石墨颗粒或石墨片固体和含有苯六甲酸的黄色溶液；
④利用乙醇反复萃取所述黄色溶液中的电解质物质，将萃取后得到的溶液浓缩，在50～80℃下蒸干，得到苯六甲酸固体。
本发明同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其中所述电解质可以采用氯化钠、氯化钾、碳酸钠、氯化铵、碳酸氢钠或碳酸氢铵。其加入量为每1000ml的纳米碳溶液中加入0.1g～5g电解质。
本发明同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其中所述的阳极金属板可以采用不锈钢、铜、铝、镍或钛板。阳极的作用主要作为对电极，在阳极上主要发生氢的析出。阳极材料的选择对制备产物没有影响。
本发明同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其中所述步骤②中控制恒定电流密度较好为20mA/cm2，在25℃条件下通电15天。
本发明同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其中所述步骤②中控制恒定电压较好为3～5V，在25℃～50℃条件下通电7天。或者为控制恒定电压30V，在20℃条件下通电7天。或者为控制恒定电压100V，在50℃条件下通电1天。
本发明同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，具有以下优点即突出性效果：(1)该方法采用一步电化学氧化方法，可以直接得到水系纳米碳溶液。(2)合成了尺寸可控、在水相或有机相中分散稳定的纳米氧化石墨。纳米氧化石墨颗粒的大小3～200nm；石墨片的大小50nm～300nm。(3)合成的纳米氧化石墨表面含有羧基、羟基等官能团，所以制备的单分散纳米碳解决了以往纳米材料的难分散的问题。(4)目前苯六甲酸的合成和分离方法比较少，特别是分离方法比较难；在制备单分散的纳米氧化石墨颗粒或石墨片的同时，制备了苯六甲酸，并且进行了分离。(5)该方法制备工艺简单，成本低，没有环境污染；实验操作条件容易控制，得到的产物全部是价值比较高的物质。
附图说明
图1为本发明方法制备过程中形成的纳米氧化石墨颗粒的高分辨透射电镜照片；
图2为本发明方法制备的纳米氧化石墨颗粒的高分辨透射电镜照片；
图3为本发明方法制备过程中形成的石墨片的高分辨透射电镜照片；
图4为本发明方法制备产物的XRD分析数据。
具体实施方式
为进一步说明本发明，结合以下实施例具体阐述：
实施例1：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为5cm，放在去离子水中，采用恒流电源在阴极与阳极之间控制恒定电流密度为0.02mA/cm2，在室温下(25℃)通电处理15天。得到棕黑色溶液。将制得的溶液，在10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液。向1000ml的纳米碳溶液中加入1g氯化钠，黑色的物质沉降，溶液为黄色。黑色的物质过滤后，得到纳米碳颗粒，这些材料的透射电镜照片见图1和图2。把得到的黄色溶液中的电解质用乙醇反复萃取，再将萃取后的溶液浓缩、蒸干后得到苯六甲酸固体。
萃取过程中间产物的XRD分析结果参见图4，所述XRD分析为X射线衍射分析，采用日本理学Rigaku公司的Automated D/Max B型衍射仪，分析此图可以证明，利用本方法可以得到石墨颗粒、石墨片和苯六甲酸。
实施例2：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为1cm，放在去离子水中，采用恒流电源在阴极与阳极之间控制恒定电流密度为2mA/cm2，在室温下(15℃)通电处理15天。得到棕黑色溶液。将制得的溶液，在10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液。向1000ml的纳米碳溶液中加入0.5g氯化钾，黑色的物质沉降，溶液为黄色。黑色的物质过滤后，得到纳米碳颗粒，这些材料的透射电镜照片见图1和图2。把得到的黄色溶液中的电解质用乙醇反复萃取，再将萃取后的溶液浓缩、蒸干后得到苯六甲酸固体。
实施例3：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为1cm，放在去离子水中，采用恒流电源在阴极与阳极之间控制恒定电流密度为20mA/cm2，在室温下(25℃)通电处理15天。得到棕黑色溶液。将制得的溶液，在10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液。向1000ml的纳米碳溶液中加入2g碳酸钠，黑色的物质沉降，溶液为黄色。黑色的物质过滤后，得到纳米碳颗粒，这些材料的透射电镜照片见图1和图2。把得到的黄色溶液中的电解质用乙醇反复萃取，再将萃取后的溶液浓缩、蒸干后得到苯六甲酸固体。
实施例4：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为1cm，放在去离子水中，采用恒流电源在阴极与阳极之间控制恒定电流密度为200mA/cm2，在室温下(25℃)通电处理15天。得到棕黑色溶液。将制得的溶液，在10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液。向1000ml的纳米碳溶液中加入2.5g氯化铵黑色的物质沉降，溶液为黄色。黑色的物质过滤后，得到纳米碳颗粒，这些材料的透射电镜照片见图1和图2。把得到的黄色溶液中的电解质用乙醇反复萃取，再将萃取后的溶液浓缩、蒸干后得到苯六甲酸固体。
实施例5：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为1cm，放在去离子水中，采用恒压电源在阴极与阳极之间控制恒定电压为3～5V，在25℃～50℃通电处理7天。得到棕色溶液含有大量的石墨片，透射电镜照片见图3。
实施例6：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为1cm，放在去离子水中，采用恒压电源在阴极与阳极之间控制恒定电压为1V，在室温下(25℃)通电处理15天。得到棕黑色溶液。将制得的溶液，在10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液。向1000ml的纳米碳溶液中加入3g碳酸氢钠，黑色的物质沉降，溶液为黄色。黑色的物质过滤后，得到纳米碳颗粒，这些材料的透射电镜照片见图1和图2。把得到的黄色溶液中的电解质用乙醇反复萃取，再将萃取后的溶液浓缩、蒸干后得到苯六甲酸固体。
实施例7：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为1cm，放在去离子水中，采用恒压电源在阴极与阳极之间控制恒定电压为30V，在室温下(20℃)通电处理7天。得到黑色溶液。将制得的溶液在10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液。向1000ml的纳米碳溶液中加入3.5g氯化钠，黑色的物质沉降，溶液为黄色。黑色的物质过滤后，得到纳米碳颗粒，这些材料的透射电镜照片见图1a(3nm)。把得到的黄色溶液中的电解质用乙醇反复萃取，再将萃取后的溶液浓缩、蒸干后得到苯六甲酸固体。
实施例8：
将两块石墨板(长10cm×宽10cm×厚1cm)作为阳极与阴极，阴阳极间的距离为1cm，放在去离子水中，采用恒压电源在阴极与阳极之间控制恒定电压为100V，在室温下(50℃)通电处理1天。得到黑色溶液。将制得的溶液在10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液。向1000ml的纳米碳溶液中加入5g碳酸氢铵，黑色的物质沉降，溶液为黄色。黑色的物质过滤后，得到纳米碳颗粒，这些材料的透射电镜照片见图2。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1、一种同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①以石墨板作为阴极，石墨板或金属板作为阳极，阴极与阳极间距为1～5cm，将电极放在盛有去离子水的容器中；
②在阴极与阳极之间，控制恒定电流密度0.02～200mA/cm2或控制恒定电压1～100V，在15～50℃条件下通电1～15天后，得到含有纳米碳的混合溶液；
③将上述混合溶液在1000～10000转/分钟的转速下离心沉降、分离除去大颗粒的碳材料后得到纳米碳溶液，向所述纳米碳溶液中加入电解质，使纳米碳沉降，得到不同尺寸的纳米氧化石墨颗粒或石墨片固体和含有苯六甲酸的黄色溶液；
④利用乙醇反复萃取所述黄色溶液中的电解质物质，将萃取后得到的溶液浓缩，在50～80℃下蒸干，得到苯六甲酸固体。
2、按照权利要求1所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：所述电解质采用氯化钠、氯化钾、碳酸钠、氯化铵、碳酸氢钠或碳酸氢铵。
3、按照权利要求2所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：所述电解质的加入量为每1000ml的纳米碳溶液中加入0.1g～5g电解质。
4、按照权利要求3所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：所述的阳极金属板为不锈钢、铜、铝、镍或钛板。
5、按照权利要求4所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：所述步骤②中控制恒定电流密度20mA/cm2，在25℃条件下通电15天。
6、按照权利要求4所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：所述步骤②中控制恒定电压3～5V，在25℃～50℃条件下通电7天。
7、按照权利要求4所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：所述步骤②中控制恒定电压30V，在20℃条件下通电7天。
8、按照权利要求4所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法，其特征在于：所述步骤②中控制恒定电压100V，在50℃条件下通电1天。
9、利用权利要求1～8任一项所述的同时制备纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸的方法制备出的纳米碳溶液或纳米氧化石墨颗粒或石墨片以及苯六甲酸。
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