CN106676562B - 一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过电化学法还原制备高质量石墨烯的方法,包括以下步骤:首先,将氧化石墨加入到去离子水中,超声剥离后得到氧化石墨烯溶液;向氧化石墨烯溶液加入硫酸,然后在1.5V的电压下,电还原10min~2h后抽滤,然后水洗,得到石墨烯。本发明具有工艺简单,重复性高,产率高,容易操控等诸多优点。最重要的是,节约能源,对环境不产生任何污染。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯制备领域,具体涉及一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法。
背景技术
2004年,Manchester大学的Geim和Novoselov等发现了由单层碳原子组成的石墨烯,至此石墨烯作为一种新型碳材料备受关注。石墨烯是由sp2杂化的单层碳原子按正六边形组成的二维晶体,是碳纳米管、富勒烯、石墨等碳的同素异形的基本组成单元。根据理论预测,石墨烯的电子迁移速率达到200000cm2/V·s,比表面积达到2630m2/g,热导率达到5000W/m·K,杨氏模量达1TPa,单层透光率约97.7%。石墨烯以其独特的电子、力学、光学等性能,可望在高性能纳电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域获得广泛应用。但是,石墨烯的低成本、大量制备仍面临困境,制约了该材料的发展与应用。
目前应用较为广泛的制备石墨烯的方法大致可以分为以下几类:机械剥离法、外延生长法和化学还原法。这些方法中,微机械剥离法采用微机械应力克服范德华力,优点在于低缺陷、高电子迁移率,但其成本高、产率低,仅适合基础性研究;外延生长法得到的石墨烯的厚度不均,其成本高、工艺复杂,因此其应用有限;化学还原法一般用水合肼等强还原剂,虽然其成本较低,但是水合肼剧毒、不易清除,会造成人身伤害、环境污染和设备损坏。热还原法即通过在惰性气体中快速加热氧化石墨烯到1100℃,可有效还原氧化石墨烯,但是这种方法需要高温条件,对设备和环境的要求较高,耗能高;光催化还原法即通过紫外光照射来还原氧化石墨烯,但紫外灯长时间照射对人体要害,并且耗能较大,还原产率较低,这将限制其性能和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、效率高、成本低、适合于规模化生产的通过电化学法还原制备石墨烯的方法,具有成本低、产率高、质量好的优点。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法,包括以下步骤:
1)超声剥离氧化石墨制备氧化石墨烯溶液:
首先,将氧化石墨加入到去离子水中,超声剥离后得到氧化石墨烯溶液;
2)电化学还原制备石墨烯,制备稳定的石墨烯分散液:
向氧化石墨烯溶液加入硫酸,然后在1.5V的电压下,电还原10min~2h后抽滤,然后水洗,得到石墨烯。
本发明进一步的改进在于,所述氧化石墨的粒径为20~100μm。
本发明进一步的改进在于,所述氧化石墨烯溶液的浓度是1~100mg/mL。
本发明进一步的改进在于,超声的功率为560W,超声的时间为0.5-2h。
本发明进一步的改进在于,电还原时,以玻碳电极作为正极,铂丝为负极,将正极、负极与电源连接。
本发明进一步的改进在于,玻碳电极的直径为3mm,铂丝的长为6cm,直径为0.5mm。
本发明进一步的改进在于,硫酸的质量浓度为98%,氧化石墨与硫酸的质量比为(0.1~10)g:(0.076~7.62)mL。
与现有的制备方法相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明通过电化学还原方法,采用的化学试剂无毒、无害,该方法避免了造成设备损耗、环境污染和人身危害等问题;
(2)该方法中在1.5V电压下即可进行电解得到石墨烯,电压较低,比较安全,而且这种低压稳压电源在实验室中很常见,低电压有利于降低生产成本;
(3)在实验室1.5V的低电压下,本发明中10min内最高能产生10g石墨烯的产量,具有收率高的特点。
(4)本发明所需装置简单、设备投资少,原料成本低廉易得,操作容易,适合于规模化生产。
进一步的,本发明中采用玻碳、铂丝等作为电极材料,原料的成本低廉易得,操作简单。
进一步的,可以根据实验需要,改变玻璃容器的容积大小、玻碳电极的直径,从而进行放大生产。
附图说明
图1为电化学还原石墨烯的装置连接示意图;
图2为电化学还原1mg/mL、100mg/mL氧化石墨烯溶液10min、30min、1h、2h后的X射线衍射(XRD)图;
图3为电化学还原1mg/mL氧化石墨烯10min后的扫描电镜(SEM)图;
图4为电化学还原100mg/mL氧化石墨烯10min后的扫描电镜(SEM)图。
其中,1为磁力搅拌器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
参见图1,本发明中采用的化学还原石墨烯的装置的结构示意图。
本发明是在氧化石墨烯的溶液中添加少量的硫酸,在低电压下通过电化学法还原制备石墨烯的方法。本发明中电还原时,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,将正极、负极与电源连接。其中,玻碳电极的直径为3mm,铂丝的长为6cm,直径为0.5mm。
本发明包括以下步骤:
1)超声剥离氧化石墨制备氧化石墨烯溶液:
首先,将氧化石墨溶于去离子水中,在功率为560W下超声剥离0.5-2h后得到氧化石墨烯溶液,氧化石墨烯溶液的浓度是1~100mg/mL,往氧化石墨烯溶液加入一定量的硫酸。最后,按照图1,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,将电极与电源连接好。
2)电化学还原制备石墨烯,制备稳定的石墨烯分散液:
在步骤1)中的电极上通入1.5V的电压,将电极放入在步骤1)中加入硫酸后的100mL的氧化石墨烯溶液中,并在磁力搅拌器1上搅拌下还原10min~2h。将还原后的石墨烯进行抽滤,再用去离子水充分洗涤以调节pH至中性。随后,利用超声分散将还原清洗后得到的石墨烯均匀的分散到去离子水中,以形成稳定的石墨烯分散液。
实施例1
将0.1g氧化石墨溶于100mL去离子水中,在功率为560W下超声剥离1h后得到氧化石墨烯溶液,往氧化石墨烯溶液加入0.076mL的浓硫酸(质量浓度为98%)。最后,按照图1,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,通入1.5V的电压,并在搅拌下还原10min后将还原后的石墨烯进行抽滤,再用去离子水充分洗涤以调节pH值至中性。随后,利用超声分散将还原清洗后得到的石墨烯均匀的分散到去离子水中,形成稳定的石墨烯分散液。
实施例2
与实施例1不同在于,还原时间为30min。
实施例3
与实施例1不同在于,还原时间为1h。
实施例4
与实施例1不同在于,还原时间为2h。
实施例5
将0.5g氧化石墨溶于100mL去离子水中,在功率为560W下超声剥离1h后得到氧化石墨烯溶液,往氧化石墨烯溶液加入0.380mL的浓硫酸。最后,按照图1,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,通入1.5V的电压,并在搅拌下还原30min后将还原后的石墨烯进行抽滤,再用去离子水充分洗涤以调节pH至中性。随后,利用超声分散将还原清洗后得到的石墨烯均匀的分散到去离子水中,形成稳定的石墨烯分散液。
实施例6
将1g氧化石墨溶于100mL去离子水中,在功率为560W下超声剥离1h后得到氧化石墨烯溶液,往氧化石墨烯溶液加入0.761mL的浓硫酸。最后,按照图1,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,通入1.5V的电压,并在搅拌下还原1h后将还原后的石墨烯进行抽滤,再用去离子水充分洗涤以调节pH至中性。随后,利用超声分散将还原清洗后得到的石墨烯均匀的分散到去离子水中,形成稳定的石墨烯分散液。
实施例7
将2g氧化石墨溶于100mL去离子水中,在功率为560W下超声剥离1h后得到氧化石墨烯溶液,往氧化石墨烯溶液加入1.52mL的浓硫酸。最后,按照图1,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,通入1.5V的电压,并在搅拌下还原2h后将还原后的石墨烯进行抽滤,再用去离子水充分洗涤以调节pH至中性。随后,利用超声分散将还原清洗后得到的石墨烯均匀的分散到去离子水中,形成稳定的石墨烯分散液。
实施例8
将5g氧化石墨溶于100mL去离子水中,在功率为560W下超声剥离1h后得到氧化石墨烯溶液,往氧化石墨烯溶液加入3.81mL的浓硫酸。最后,按照图1,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,通入1.5V的电压,并在搅拌下还原10min后将还原后的石墨烯进行抽滤,再用去离子水充分洗涤以调节pH至中性。随后,利用超声分散将还原清洗后得到的石墨烯均匀的分散到去离子水中,形成稳定的石墨烯分散液。
实施例9
将10g氧化石墨溶于100mL去离子水中,在功率为560W下超声剥离1h后得到氧化石墨烯溶液,往氧化石墨烯溶液加入7.62mL的浓硫酸。最后,按照图1,以玻碳电极作为正极、铂丝为负极,通入1.5V的电压,并在搅拌下还原10min后将还原后的石墨烯进行抽滤,再用去离子水充分洗涤以调节pH至中性。随后,利用超声分散将还原清洗后得到的石墨烯均匀的分散到去离子水中,形成稳定的石墨烯分散液。
实施例9中,反应10min,即可制得10g石墨烯,产量较高。将实施例9中的100mg/mL的氧化石墨烯(GO)溶液电还原10min后分散在200mL去离子水中,可得到石墨烯分散液,均一且稳定。
实施例10
与实施例9不同之处在于,还原时间为30min。
实施例11
与实施例9不同之处在于,还原时间为1h。
实施例12
与实施例9不同之处在于,还原时间为2h。
综合上述分析,在1.5V电压下,当GO溶液的浓度分别是1mg/mL、5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL、50mg/mL、100mg/mL,加入硫酸后,形成混合溶液,混合溶液中硫酸的浓度分别是0.014mol/L、0.07mol/L、0.14mol/L、0.28mol/L、0.7mol/L、1.4mol/L时,GO才能够完全被还原;再结合电化学还原石墨烯的机理:
可以得出:在1.5V电压下,电化学还原的石墨烯与硫酸之间存在一个线性的比例,硫酸的浓度低0.014mol/L时,无法完成电还原。
图1是电化学还原石墨烯的简易装置图,在磁力搅拌器1上,以玻碳电极作为正极,铂丝为负极,将正极、负极与电源连接即可实现电还原,本发明利用简单的装置即可实现电化学还原制备的石墨烯。
图2是为分别是GOX射线衍射(XRD)图、电化学还原1mg/mL(实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4)、100mg/mL(实施例9、实施例10、实施例11以及实施例12)氧化石墨烯溶液10min、30min、1h、2h后的X射线衍射(XRD)图,由2可以看出经过10min后GO能够彻底还原为还原氧化石墨烯。
图3为电化学还原1mg/mL(实施例1)氧化石墨烯溶液10min后的扫描电镜(SEM)图,由图3可以看出还原后石墨烯的浓度比较高,石墨烯片的大小大约在10μm左右。
图4为电化学还原100mg/mL(实施例9)氧化石墨烯溶液10min后的扫描电镜(SEM)图,由图4可以看出还原后石墨烯的浓度比较高,石墨烯片的大小大约在10~50μm左右。
本发明具有工艺简单,重复性高,产率高,容易操控等诸多优点。最重要的是,节约能源,对环境不产生任何污染。
Claims (5)
1.一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)超声剥离氧化石墨制备氧化石墨烯溶液:
首先,将氧化石墨加入到去离子水中,超声剥离后得到氧化石墨烯溶液;
2)电化学还原制备石墨烯,制备稳定的石墨烯分散液:
向氧化石墨烯溶液加入硫酸,然后在1.5 V的电压下,电还原10 min~2 h后抽滤,然后水洗,得到石墨烯;
电还原时,以玻碳电极作为正极,铂丝为负极,将正极、负极与电源连接;
硫酸的质量浓度为98%,氧化石墨与硫酸的比为0.1g:0.076mL。
2.根据权利要求1所述的一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法,其特征在于,所述氧化石墨的粒径为20~100 μm。
3. 根据权利要求1所述的一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法,其特征在于,所述氧化石墨烯溶液的浓度是1~100 mg/mL。
4. 根据权利要求1所述的一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法,其特征在于,超声的功率为560W,超声的时间为0.5-2 h。
5. 根据权利要求1所述的一种通过电化学法还原制备石墨烯的方法,其特征在于,玻碳电极的直径为3 mm,铂丝的长为6 cm,直径为0.5 mm。
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