CN102179172B

CN102179172B - 一种基于电泳原理的氧化石墨烯的分离方法

Info

Publication number: CN102179172B
Application number: CN 201110103670
Authority: CN
Inventors: 张东; 苏钦
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: CN102179172A

Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，具体为一种基于电泳原理的氧化石墨烯的分离方法。本发明采用的电泳分离装置包括玻璃分离槽、直流电源、铜片电极三部分。分离步骤包括：氧化石墨烯水溶液的制备：将氧化石墨和离子水和磁性搅拌子混和，搅拌；再放入超声清洗机中超声剥离，重复2～5次，制得氧化石墨烯水溶液；电泳分离：将铜片电极插入到放有离子水的玻璃分离槽内两端；取氧化石墨烯水溶液缓慢加入；开始电泳分离，当有棕色的氧化石墨烯到达正极处时，分别在近正电极处和远正电极处取样，即得分离后的氧化石墨烯。本发明使用装置简单、设备投资少，原料成本低廉易得，操作容易，重现性好。而且快速、高效、无损、节能、无污染，并能实现量化分离。

Description

一种基于电泳原理的氧化石墨烯的分离方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯的分离方法。

背景技术

石墨烯，一种真正意义上的二维碳基材料，性能优异，成本低廉。被视为单层纳米管与单晶硅的潜在替代物，在纳米电子器件、复合材料、气敏组件、超级电容器、锂离子电池以及药物交换等领域具有应用潜力。然而，将石墨烯投入应用的前提是，能制备出大量的具有特定尺寸大小与层厚的石墨烯片层。不同的尺寸大小的石墨烯的应用领域不同，例如双层石墨烯可以作为制造光电子设备与微处理器的材料；单层的、具有特定尺寸（一般小于20纳米），并具有充分官能化表面的石墨烯衍生物可应用于细胞成像和药物交换领域。另外，由于石墨烯的性能与其结构参数是密切相关的，所以多分散性的石墨烯，因其不可控性，将无法投入到生产应用。因此，在石墨烯的生产应用中，能有效获取特定的结构参数的石墨烯的分离工艺显得尤为重要。

然而，目前针对石墨烯的分离方法比较少，只有离心分离方法。虽然密度梯度离心方法已被证实可用于石墨烯及其衍生物的各种分离需求，而且效果明显，但是其同样存在较大的不足和局限性。密度梯度离心分离，必须要在分离之前制备出分离介质层，引入了分离介质本身这个“杂质”的同时，还要加入一定量的表面活性剂以避免团聚；增加了分离成本的同时，也增加了分离产物的不确定性，甚至表面活性剂本身就有可能对分理处的样品产生污染与干扰。另外，由于局限于离心分离设备以及能耗大等缺点，梯度离心分离方法不可用于量产的问题也突显出来。

本发明针对这些问题，设计了一种氧化石墨烯的新型分离方法。实验结果表明，这种新型分离方法能按照氧化石墨烯片层的大小有效地将其分离开，同时也能分离得到单片层结构的氧化石墨烯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、高效、无损、节能、无污染，且能实现量化分离的氧化石墨烯的分离方法。

本发明方法采用的电泳分离装置包括玻璃分离槽、直流电源、铜片电极三部分。

所述的玻璃分离槽高度为50～500毫米，长度为100～1000毫米，宽度为40～400毫米，玻璃厚度为5～20毫米；

所述的直流电源的电压为30伏特；

所述的铜片电极，高度为100～700毫米，宽度为40～400毫米，厚度为1～5毫米。

本发明提供的氧化石墨烯的分离方法，是基于电泳原理，即采用电泳分离装置，分离的具体步骤如下：

（1）氧化石墨烯水溶液的制备：称取50～1000毫克的氧化石墨放入广口瓶，加入100～2000毫升去离子水和磁性搅拌子，搅拌30～60分钟，转速为每分钟100～1000转；将充分分散的氧化石墨悬浊液装入广口瓶中，并放入到超声清洗机中进行超声剥离10～60分钟，超声功率为300～1000瓦，然后室温冷却2～20分钟，再进行超声10～60分钟，重复2～5次，使氧化石墨充分剥离成氧化石墨烯；从而制得氧化石墨烯水溶液。

（2）电泳分离过程：首先清洗玻璃分离槽和铜片电极，然后将100～1000毫升去离子水加入到玻璃分离槽中，再将铜片电极插入到玻璃分离槽内两端，并将铜片电极分别接入到直流电源正负极。用移液管取2～10毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分离槽的中部缓慢加入；打开直流电源，调节电压为30伏特，开始电泳分离；当有棕色的氧化石墨烯到达正极处时，用移液管分别在近正电极处和远正电极处取样，即为分离后的氧化石墨烯。

本新型氧化石墨烯的分离方法，与现有分离技术相比，具有如下优点：

（1）本方法直接将电能产生的电场力对氧化石墨烯进行分离，对能量的利用率极高，节能环保；

（2）本分离方法中的分离介质为去离子水，成本低廉，易得；

（3）本分离方法进行分离，分离前后，氧化石墨烯都是分散于去离子水中，不带入杂质，无须提纯可直接进行利用，大大提高了分离效率；

（4）本分离方法的分离原理决定了本法所涉及的试验装置可大型化，只需调节分离电压，即可将量化，大规模化分离；

（5）本分离方法使得氧化石墨烯的分离过程直观可见，同时也可以中断分离过程进行取样后再继续分离；

（6）装置简单、设备投资少，原料成本低廉易得，操作容易，重现性好。

附图说明

图1 实施例1的原子力显微镜照片。

图2 实施例1的氧化石墨烯片横向尺寸统计分析结果。

图3 实施例1的氧化石墨烯片厚度统计分析结果。

图4 实施例2的原子力显微镜照片。

图5 实施例2的氧化石墨烯片横向尺寸统计分析结果。

图6 实施例2的氧化石墨烯片厚度统计分析结果。

图中标号：1、直流电源；2、玻璃分离槽；3、铜片电极；4、加样器（移液管）。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：采用本发明分离25微米粒径氧化石墨制备的氧化石墨烯

（1）氧化石墨烯水溶液的制备：称取50毫克的25微米粒径氧化石墨放入广口瓶，加入100毫升去离子水和磁性搅拌子，搅拌30分钟，转速为每分钟200转；将充分分散的氧化石墨悬浊液装入广口瓶中，并放入到超声清洗机中进行超声剥离20分钟，功率为600瓦，然后室温冷却5分钟，再进行超声20分钟，重复3次，使氧化石墨充分剥离成氧化石墨烯；从而制得氧化石墨烯水溶液，记为样品A（Sample_A）。

（2）电泳分离过程：首先清洗玻璃分离槽和铜片电极，然后将400毫升去离子水加入到玻璃分离槽中，再将铜片电极插入到玻璃分离槽内两端，并将铜片电极分别接入到直流电源正负极。用移液管取3~4毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分离槽的中部缓慢加入；打开直流电源，调节电压为30伏特，开始电泳分离；当有棕色的氧化石墨烯到达正极处时，用移液管分别在近正电极处取样，记为样品B（Sample_B），和远正电极处取样，记为样品C（Sample_C）。

（3）分离结果分析：采用原子力显微镜对分离前后的氧化石墨烯样品进行测试，如图1所示。对氧化石墨烯片层的宽度和厚度进行统计分析，结果如图2和3所示。横坐标为氧化石墨烯的横向尺寸或厚度，纵坐标为相应的片层数。图中A、B、C分别为分离前样品A（Sample_A），以及分离后样品B（Sample_B）和样品C（Sample_C）。由图可知，样品A中片层横向尺寸在80~1000纳米之间，分布范围较宽；样品B的横向尺寸分布在230~2000纳米之间，主要集中在300~700纳米之间，极少数尺寸大于700纳米；样品C的横向尺寸分布在90~750纳米之间，主要集中在100~300纳米之间。上述统计结果说明，本文提出的分离方法，可以将原样品中横向尺寸分布范围较广的氧化石墨烯片层进行细分，且接近正电极处的片层的横向尺寸分布范围较窄，基本达到了获取单分散氧化石墨烯的目的。在厚度方面，未经分离的样品A的片层厚度分布在0.68~5纳米，主要集中在0.68~2纳米之间，即原样品中的片层是单层结构和多层结构混合在一起的。经分离后的近电极处的样品C的片层厚度分布在0.67~1.4纳米之间，其中99%集中在0.67~1.1纳米之间，即大部分都是单层结构的。

实施例2：采用本发明分离140微米粒径氧化石墨制备的氧化石墨烯

（1）氧化石墨烯水溶液的制备：称取50毫克的140微米粒径氧化石墨放入广口瓶，加入100毫升去离子水和磁性搅拌子，搅拌30分钟，转速为每分钟200转；将充分分散的氧化石墨悬浊液装入广口瓶中，并放入到超声清洗机中进行超声剥离20分钟，功率为600瓦，然后室温冷却5分钟，再进行超声20分钟，重复3次，使氧化石墨充分剥离成氧化石墨烯；从而制得氧化石墨烯水溶液，记为样品D（Sample_D）。

（2）电泳分离过程：首先清洗玻璃分离槽和铜片电极，然后将400毫升去离子水加入到玻璃分离槽中，再将铜片电极插入到玻璃分离槽内两端，并将铜片电极分别接入到直流电源正负极。用移液管取3~4毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分离槽的中部缓慢加入；打开直流电源，调节电压为30伏特，开始电泳分离；当有棕色的氧化石墨烯到达正极处时，用移液管分别在近正电极处取样，记为样品E（Sample_E），和远正电极处取样，记为样品F（Sample_F）。

（3）分离结果分析：采用原子力显微镜对分离前后的氧化石墨烯样品进行测试，如图4所示。对氧化石墨烯片层的宽度和厚度进行统计分析，结果如图5和6所示。横坐标为氧化石墨烯的横向尺寸或厚度，纵坐标为相应的片层数。图中D、E、F分别为分离前样品D（Sample_D），以及分离后样品E（Sample_E）和样品F（Sample_F）。由图可知，样品D中片层横向尺寸在70~1700纳米之间，分布范围较宽；样品E的横向尺寸分布在310~1700纳米之间，主要集中在500~1400纳米之间；样品F的横向尺寸分布在70~860纳米之间，主要集中在100~500纳米之间。上述统计结果说明，本文提出的分离方法，可以将原样品中横向尺寸分布范围较广的氧化石墨烯片层进行细分，且接近正电极处的片层横向尺寸分布范围较窄，基本达到了获取单分散氧化石墨烯的目的。在厚度方面，未经分离的样品D的片层厚度分布在0.67~2纳米，主要集中在0.67~1.6纳米之间，即原样品中的片层是单层结构和多层结构混合在一起的。经分离后的近电极处的样品F的片层厚度分布在0.67~1.2纳米之间，其中99%集中在0.67~0.9纳米之间，即大部分都是单层结构的。

Claims

1.一种基于电泳原理的氧化石墨烯的分离方法，其特征在于具体步骤为：

（1）氧化石墨烯水溶液的制备：称取50～1000毫克的氧化石墨放入广口瓶，加入100～2000毫升去离子水和磁性搅拌子，搅拌30～60分钟，转速为每分钟100～1000转；将充分分散的氧化石墨悬浊液装入广口瓶中，并放入到超声清洗机中进行超声剥离10～60分钟，超声功率为300～1000瓦，然后室温冷却2～20分钟，再进行超声10～60分钟，重复2～5次，使氧化石墨充分剥离成氧化石墨烯；从而制得氧化石墨烯水溶液；

（2）电泳分离过程：首先清洗玻璃分离槽和铜片电极，然后将100～1000毫升去离子水加入到玻璃分离槽中，再将铜片电极插入到玻璃分离槽内两端，并将铜片电极分别接入到直流电源正负极；用移液管取2～10毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分离槽的中部缓慢加入；打开直流电源，调节电压为30伏特，开始电泳分离；当有棕色的氧化石墨烯到达正极处时，用移液管分别在近正电极处和远正电极处取样，即为分离后的氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于所述的玻璃分离槽，其高度为50～500毫米，长度为100～1000毫米，宽度为40～400毫米，玻璃厚度为5～20毫米。

3.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于所述的铜片电极，其高度为100～700毫米，宽度为40～400毫米，厚度为1～5毫米。