CN105399423A - 一种电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜的方法是将光谱纯石墨棒电极浸没于硫酸盐溶液的液面下，通过电弧放电使阳极蒸发，碳蒸汽及反应生成的H2和CO将溶液中的金属阳离子还原成纳米级的金属颗粒，反应生成的金属颗粒与电弧剥离出的石墨烯薄膜发生碳热还原反应，而参与碳热还原反应的碳原子以二氧化碳或一氧化碳形式离开石墨烯片层，从而在石墨烯片层上刻蚀出纳米级孔洞，经收集干燥获得纳米孔石墨烯过滤膜。本方法在硫酸盐溶液中进行大电流电弧放电，一步法直接形成纳米孔石墨烯过滤膜，无需后续刻蚀步骤，省去了抽真空和循环水系统，简化了设备，降低了成本；而且石墨烯过滤膜具有优良的电磁和光学性能，应用范围十分广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米孔石墨烯过滤膜的制备方法，具体是一种在硫酸盐溶液中采用电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜的方法。
背景技术
石墨烯是一种碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的二维炭质新材料，厚度仅为0.335纳米，是构建其他维数炭质材料的基本单元，这种新兴的炭材料由于具备优异的力、热、光、电等性能而受到广泛关注，在催化、生物、电子等领域具有广阔的应用前景。
与机械剥离法制备的无缺陷石墨烯相比，含有纳米孔结构的石墨烯薄膜材料具有比表面积高、孔径可调、透明度高等特点，在许多领域具有潜在应用价值。如Ning等人将多孔石墨烯应用在超级电容器上可使超级电容器具有超高电容的同时拥有良好的循环稳定性；再如Jiang等人将具有多孔结构的石墨烯材料用于气体分离，证明多孔石墨烯是一种高效率、高选择性的膜材料。
目前关于纳米孔石墨烯材料制备的报道还很少，主要有模板法、高能粒子束刻蚀法和化学刻蚀法等。模板法是利用刻蚀有孔洞的金属模板，在一定温度范围内，使用惰性和含碳烃类的气体进行化学气相沉积来制备纳米孔结构的石墨烯。而高能粒子束刻蚀法和化学刻蚀法则是需要先制备好石墨烯材料，再利用高能粒子束或化学试剂在石墨烯上刻蚀出孔洞。这些方法用来制备纳米孔石墨烯，工艺复杂，产量低，纳米孔尺寸调节范围窄，限制了它的应用范围。鉴于纳米孔石墨烯特殊的结构、优异的性能，以及在催化、气体分离和生物工程等领域的巨大应用前景，亟需找到一种简单可控、安全环保的制备方法。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是如何在硫酸盐溶液中，采用电弧放电一步法制备纳米孔石墨烯过滤膜，进一步简化设备，降低成本，其目的是提供一种用电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜的方法。
基于上述问题和目的提出如下技术方案。
一种用电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜的方法，所述方法是按下列步骤进行的：
（1）配置硫酸盐溶液4～6L，加入到耐热容器中；
（2）采用光谱纯石墨棒作电极，其中，阴极直径为12～20mm，阳极直径为6～8mm，两电极沿水平直线排列，浸没在液面下40～100mm处；
（3）电流和电压分别控制在70～80A和24～27V范围内，起弧后须使两电极之间的间隙为0.8～1mm；
（4）电弧放电使石墨阳极蒸发，碳蒸汽以及反应生成具有还原性的H2和CO，将盐溶液中的金属离子还原成纳米级的金属颗粒；
（5）反应生成的金属颗粒与电弧剥离出的石墨烯薄膜发生碳热还原反应，参与碳热还原反应的碳原子以二氧化碳或一氧化碳形式离开石墨烯片层，从而在石墨烯片层上刻蚀出纳米级的孔洞，即形成纳米孔石墨烯，并以薄膜状漂浮在水面上；
（6）10～15分钟后停止放电，待水冷却后收集表面产物，蒸干水分后获得纳米孔石墨烯过滤膜。
在上述技术方案中，所述硫酸盐溶液是硫酸亚铁、硫酸钴和硫酸镍中的一种；所述石墨烯过滤膜的层数是1~5层，孔洞直径是10~100nm。
按照上述技术方案所实现的一种用电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜的方法，与现有技术相比，其创新之处在于：（1）本方法在硫酸盐溶液中进行大电流电弧放电，由于增加电弧放电时的电流，电弧等离子体能量提高，有利于石墨烯从阳极石墨棒剥离；（2）在反应过程中，由于采用硫酸盐溶液作为放电介质，省去了抽真空装置和循环水系统，简化了设备，降低了成本；（3）反应生成的金属颗粒与电弧剥离出的石墨烯薄膜，在等离子体区发生的碳热还原反应，直接形成纳米孔石墨烯，无需后续刻蚀步骤；（4）制备得到的产物自动漂浮在液面层，便于收集，反应过程中伴随生成的杂质自动沉降于容器底部，避免了产物的污染，提高了产物的纯度；（5）石墨烯上纳米孔的分布状况可以通过调整硫酸盐浓度进行调节，使制备的工艺过程得到了简化。
在实施上述一种用电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜方法中，收集纳米孔石墨烯产物，用研钵研磨后，取少许在乙醇中超声分散，将悬浮液滴在微栅铜网上，干燥后用Nion-UltraSTEM100型扫描透射电子显微镜，加速电压为60kV，点分辨率为0.11nm，对其进行观察表征，发现产物为纳米孔石墨烯。经过检测，该结构的石墨烯材料保持了石墨烯单层二维蜂窝状晶格结构，孔径分布范围在10-100nm，层数为1~5层，成为能满足特殊性能要求的生物医用材料、信息存储材料、催化剂材料、气体分离膜等新型功能材料，应用范围十分广阔，应用前景十分诱人。
本发明采用硫酸盐溶液中电弧放电的方法来获取并得到一种具有纳米孔结构的石墨烯过滤膜材料，其方法简单易行，安全环保，并可用于大批量的生产，具有很好的应用价值和市场前景。
附图说明
图1是本发明多孔石墨烯200nm的STEM图。
图2是本发明多孔石墨烯1nm的STEM图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施方式1
配置浓度为0.005M的硫酸亚铁溶液6L，加入到耐热容器中，采用光谱纯石墨棒作电极，其中阴极棒直径为20mm，阳极棒直径为6mm，两电极棒沿水平直线排列，浸没在液面下约100mm处。电流和电压分别控制在70A和28V左右，起弧后须使两电极之间的间隙为1mm。电弧放电使阳极蒸发，具有较高活性的碳蒸汽以及反应生成的具有还原性的H2和CO把盐溶液中的Fe2+还原成纳米铁颗粒，与电弧剥离出的石墨烯薄膜在等离子体区发生的碳热还原反应，直接形成纳米孔石墨烯，产物以薄膜状漂浮在水面上，10~15分钟后停止放电，待水冷却后收集表面的产物，蒸干水分便得到了纳米孔石墨烯薄膜。
实施方式2
配置浓度为0.005M的硫酸亚钴溶液8L，加入到耐热容器中，采用光谱纯石墨棒作电极，其中阴极棒直径为20mm，阳极棒直径为8mm，两电极棒沿水平直线排列，浸没在液面下约100mm处。电流和电压分别控制在70A和28V左右，起弧后须使两电极之间的间隙为1mm。电弧放电使阳极蒸发，具有较高活性的碳蒸汽以及反应生成的具有还原性的H2和CO把盐溶液中的Co2+还原成纳米铁颗粒，与电弧剥离出的石墨烯薄膜在等离子体区发生的碳热还原反应，直接形成纳米孔石墨烯，产物以薄膜状漂浮在水面上，10~15分钟后停止放电，待水冷却后收集表面的产物，蒸干水分便得到了纳米孔石墨烯薄膜。
实施方式3
配置浓度为0.005M的硫酸亚镍溶液5L，加入到耐热容器中，采用光谱纯石墨棒作电极，其中阴极棒直径为16mm，阳极棒直径为7mm，两电极棒沿水平直线排列，浸没在液面下约100mm处。电流和电压分别控制在70A和28V左右，起弧后须使两电极之间的间隙为1mm。电弧放电使阳极蒸发，具有较高活性的碳蒸汽以及反应生成的具有还原性的H2和CO把盐溶液中的Ni2+还原成纳米铁颗粒，与电弧剥离出的石墨烯薄膜在等离子体区发生的碳热还原反应，直接形成纳米孔石墨烯，产物以薄膜状漂浮在水面上，10~15分钟后停止放电，待水冷却后收集表面的产物，蒸干水分便得到了纳米孔石墨烯薄膜。
Claims (3)
1.一种电弧放电法制备纳米孔石墨烯过滤膜的方法，所述方法是按下列步骤进行的：
（1）配置硫酸盐溶液4～6L，加入到耐热容器中；
（2）采用光谱纯石墨棒作电极，其中，阴极直径为12～20mm，阳极直径为6～8mm，两电极沿水平直线排列，浸没在液面下40～100mm处；
（3）电流和电压分别控制在70～80A和24～27V范围内，起弧后须使两电极之间的间隙为0.8～1mm；
（4）电弧放电使石墨阳极蒸发，碳蒸汽以及反应生成具有还原性的H2和CO，将盐溶液中的金属离子还原成纳米级的金属颗粒；
（5）反应生成的金属颗粒与电弧剥离出的石墨烯薄膜发生碳热还原反应，参与碳热还原反应的碳原子以二氧化碳或一氧化碳形式离开石墨烯片层，从而在石墨烯片层上刻蚀出纳米级的孔洞，即形成纳米孔石墨烯，并以薄膜状漂浮在水面上；
（6）10～15分钟后停止放电，待水冷却后收集表面产物，蒸干水分后获得纳米孔石墨烯过滤膜。
2.按照权利要求1所述的方法，所述硫酸盐溶液是硫酸亚铁、硫酸钴和硫酸镍中的一种。
3.按照权利要求1所述方法，所述石墨烯过滤膜的层数是1~5层，孔洞直径是10~100nm。
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