CN106591871A - 一种电化学原位氧化还原制备石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及石墨烯的制备方法，即一种电化学原位氧化还原制备石墨烯的方法。该方法以石墨粉制成电极，所制电极在电解池中电解，电解电压为20±5V，电解完毕后即得到氧化石墨烯。然后以所制得的氧化石墨烯溶液为电解液，采用电泳沉积法制备石墨烯。该法仅需直流稳压电源，无需其它特殊设备，该法获得石墨烯简便易行，过程易于控制，成本低、无污染，便于工业化推广应用。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及石墨烯的制备方法，即一种电化学原位氧化还原制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是一种新型二维碳纳米材料，具有独特的二维六角蜂窝状的单层平面晶格结构赋予其优异的物理化学性质，在超级电容器、生物传感器、透明电极、催化、气体存储和水处理材料等领域具有潜在的应用前景。迄今为止，石墨烯的合成制备方法主要分为两种，一种是“自上而下”的合成方法，如化学氧化还原法等；另一种是“自下而上”的合成方法，如化学气相沉淀法等。化学氧化还原法一般用强氧化剂和强还原剂，虽然其成本较低，但是杂质不易清除，产生的物质会造成人身伤害、环境污染和设备损坏。化学气相沉淀法制备的石墨烯质量较高，但条件比较苛刻，成本较高，不适合规模化生产。针对以上的问题，结合电化学催化氧化和还原的基本原理，本发明提出了一种绿色环保、简单高效的电化学原位制备氧化还原石墨烯的方法，并且可实现石墨烯批量化制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绿色环保、简单高效，适于规模化生产的制备石墨烯的方法。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
1.将含有硫酸根离子的水溶液加入玻璃容器中；
2.将石墨粉制成的电极做阳极，金属做阴极，电解电压为20±5V，电解温度为30±5℃，电解完毕后超声剥离即得到氧化石墨烯溶液；
3.取适量上述氧化石墨烯溶液加入玻璃容器中，以金属做阴极和阳极，接通电源，控制电压为30±5V，控制温度为30±5℃，电化学还原时间为60-120min，即制得高质量的石墨烯；
优选地，电解液中硫酸根的供体为硫酸钠或硫酸钾；
优选地，电解液中硫酸根离子的浓度为0.1-0.5mol/L；
优选地，将石墨粉制成电极是将石墨粉直接放入多孔聚合物袋中做电极使用；
优选地，多孔聚合物袋为聚丙烯材料制成，其孔径为0.2μm到20μm之间；
优选地，阴极金属材料至少选自铂，金，银，铜，铜合金，钛，钛合金、镍中的任意一种。
本发明的电化学原位制备氧化还原石墨烯的方法，与现有的制备方法相比，具有如下优点：
1.本发明的原料为简单易得的原料，成本低，无污染；
2.该方法电压较低，比较安全，电源设备常见；
3.使用铂，金，银，铜，铜合金，钛，钛合金、镍等作为电极材料，大部分原料的成本低廉易得；
4.从原料石墨粉到石墨烯只需要原始的玻璃容器即可实现，实验操作容易，过程简便，重现性好，适用性强，适于规模化生产。
具体实施方式
下面结合具体的实例，对本发明进一步的理解，但具体实例并不用于限定本发明。
实施例1
石墨粉做阳极，Cu片做阴极。
以100μm的石墨粉为原料，将石墨粉装入聚丙烯聚合物袋中做阳极，聚丙烯袋的平均孔径为0.2μm。用去离子水充分冲洗阴极铜片，配置浓度为0.1mol/L的硫酸钠溶液做电解液。阴极和阳极之间的距离为5cm，在阴极和阳极之间施加15V直流电压，电解80h，电解温度控制在25℃；电解结束后，使用孔径0.2μm的聚丙烯袋将氧化石墨烯与电解液分离，氧化石墨烯留在聚丙烯袋内，液体被挤出。将固液分离后得到的氧化石墨烯分散在去离子水中，超声处理。超声频率为20kHz，功率为120W，时间2h，温度40℃。氧化石墨烯在去离子水中的浓度为0.5mg/mL。
取500mL制备好的氧化石墨烯溶液，以铜片做阴极和阳极，在阴极和阳极之间施加25V直流电压，电解温度控制在25℃，电化学还原120min，可观察到阴极的铜片周围生成了黑色的石墨烯。
实施例2
石墨粉做阳极，Ni网做阴极。
以30μm的石墨粉为原料，将石墨粉装入聚乙烯聚合物袋中做阳极，聚乙烯袋的平均孔径为0.2μm。用去离子水充分冲洗阴极Ni网，配置浓度为0.3mol/L的硫酸钠溶液做电解液。阴极和阳极之间的距离为10cm，在阴极和阳极之间施加25V直流电压，电解64h，电解温度控制在35℃；电解结束后，使用孔径5μm的聚乙烯袋将氧化石墨烯与电解液分离，氧化石墨烯留在聚丙烯袋内，液体被挤出。将固液分离后得到的氧化石墨烯分散在去离子水中，超声处理。超声频率为20kHz，功率为120W，时间2h，温度40℃。氧化石墨烯在去离子水中的浓度为0.1mg/mL。
取500mL制备好的氧化石墨烯溶液，以Ni网做阴极和阳极，在阴极和阳极之间施加30V直流电压，电解温度控制在30℃，电化学还原60min，可观察到阴极的Ni网周围生成了黑色的石墨烯。
实施例3
石墨粉做阳极，Ti片做阴极。
以50nm的石墨粉为原料，将石墨粉装入聚乙烯聚合物袋中做阳极，聚乙烯袋的平均孔径为0.2μm。用去离子水充分冲洗阴极Ti片，配置浓度为0.5mol/L的硫酸钠溶液做电解液。阴极和阳极之间的距离为10cm，在阴极和阳极之间施加25V直流电压，电解48h，电解温度控制在25℃；电解结束后，使用孔径0.2μm的聚乙烯袋将氧化石墨烯与电解液分离，氧化石墨烯留在聚丙烯袋内，液体被挤出。将固液分离后得到的氧化石墨烯分散在去离子水中，超声处理。超声频率为20kHz，功率为120W，时间2h，温度40℃。氧化石墨烯在去离子水中的浓度为0.25mg/mL。
取500mL制备好的氧化石墨烯溶液，以Ti片做阴极和阳极，在阴极和阳极之间施加35V直流电压，电解温度控制在25℃，电化学还原90min，可观察到阴极的Ti片周围生成了黑色的石墨烯。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种电化学原位制备氧化还原石墨烯的方法，其特征在于具体步骤为：
(1)将含有硫酸根离子的水溶液加入玻璃容器中；
(2)将石墨粉制成电极做阳极，金属做阴极，电解电压为20±5V，电解温度为30±5℃，电解完毕后超声剥离即得到氧化石墨烯溶液；
(3)取适量上述氧化石墨烯溶液加入玻璃容器中，以金属做阴极和阳极，接通电源，控制电压为30±5V，控制温度为30±5℃，电化学还原时间为1-60min，即值得高质量的石墨烯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电解液中硫酸根的供体为硫酸钠或硫酸钾。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，电解液中硫酸根离子的浓度为0.1-0.5mol/L。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)将石墨粉制成电极是将石墨粉直接放入多孔聚合物袋中做电极使用。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，多孔聚合物袋为聚丙烯或聚乙烯材料制成，其孔径为0.2μm到20μm之间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)阴极金属材料至少选自铂，金，银，铜，铜合金，钛，钛合金，镍中的任意一种。
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