CN107311165B - 一种化学电解法制备氧化石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能材料制备领域,尤其是涉及一种化学电解法制备氧化石墨烯的方法。将液态树脂加入对应的固化剂后,先后涂覆在石墨纸的两面,固化形成涂层。然后按一定程序升温炭化,制得导电片。再将导电片电解,制备成氧化石墨烯溶液,经过过滤提纯,得到高纯度氧化石墨烯。本发明克服电解法制备石墨烯氧化度低的问题,利用导电炭化层包裹石墨纸,一起电解氧化,使得制得的石墨烯为高氧化度的氧化石墨烯。而且,过程安全环保,质量和纯度都很高。
Description
技术领域
本发明属于功能材料制备领域,尤其是涉及一种化学电解法制备氧化石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是由碳原子构成的二维晶体,2016年新国标规定:片层小于10层称为石墨烯,大于10层为石墨烯纳米片。石墨烯具有优良的力学和电学性能,在电子学、磁学、光学、生物学等方面具有广泛的应用前景。
氧化石墨烯(graphene oxide)是石墨烯的氧化物,其颜色为棕黄色,市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后,其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼,可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。
氧化石墨烯最常用的方法为化学试剂氧化法,该方法涉及到高锰酸钾和硫酸,双氧水等高危易爆的化学试剂,反应温度控制麻烦,风险大,污染严重。虽然电化学很环保和安全,但是制备氧化石墨烯的时候,电极夹持的石墨纸或石墨片很容易膨胀而脱落。这样在正极氧化的时间太短,石墨烯氧化度会很低。
发明内容
为了克服上述电解法制备石墨烯氧化度低的问题,本发明的目的在于提供一种化学电解法制备氧化石墨烯的方法,利用导电炭化层包裹石墨纸,一起电解氧化,使得制得的石墨烯为高氧化度的氧化石墨烯。而且,过程安全环保,质量和纯度都很高。
本发明的技术方案是:
一种化学电解法制备氧化石墨烯的方法,该方法采用将液态树脂加入对应的固化剂后,先后涂覆在石墨纸的两面,固化形成涂层;然后升温炭化,制得导电片;再将导电片电解,制备成氧化石墨烯溶液,经过过滤提纯,得到高纯度氧化石墨烯,具体步骤如下:
a.液态树脂先后涂覆在石墨纸的两面,固化形成夹心的涂层;
b.按程序升温,由室温升到1700~2000℃,升温速度20±5℃/h,完成炭化过程;
c.炭化结束后自然冷却制成导电片,取出导电片,浸入硫酸溶液中,通电电解;
d.电解电压为4~6V,电解片完全溶解为棕黄色溶液后结束;将电解液用膜滤洗到pH为中性,即得高纯度氧化石墨烯溶液,干燥后得到氧化石墨烯粉体。
所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,步骤a中,涂覆的液态树脂为呋喃树脂或聚酰胺酸树脂。
所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,步骤a中,石墨纸被固化后的树脂涂层夹在中间,涂层固化后,两个面的厚度保持在0.5mm~1.5mm。
所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,步骤b炭化过程中,在300±20℃时保温7~9小时,700±20℃保温4~6小时,终点温度保温9~11小时。
所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,步骤b炭化过程中,炭化终点保温结束后,自然冷却制成导电片;取出导电片,浸入质量浓度为30%~50%的硫酸溶液中,通电电解。
所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,步骤d滤洗过程中,滤膜为离子选择膜或微纳陶瓷膜。
所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,步骤d中,过滤提纯干净的氧化石墨烯溶液通过冷冻干燥、真空低温干燥或喷雾干燥中任意一种途径处理,得到氧化石墨烯粉体。
与现有技术相比,本发明的优点及有益效果是:
1、本发明利用导电炭化层包裹石墨纸,一起电解氧化,使得导电片层不会随着电解膨胀脱落,延长电解氧化时间,提高产品的氧化程度,最终获得氧化石墨烯。
2、本发明属于电化学制备体系,具有设备简单,生产安全可靠,成本低,产品的质量和纯度都很高。
附图说明
图1为制备石墨烯的装置结构示意图;图中,1.石墨板阴极;2.阳极导电片外层;3.阳极导电片内石墨纸;4.硫酸液;5.电解槽。
具体实施方式
在具体实施过程中,本发明化学电解法制备氧化石墨烯的方法,采用将液态树脂加入对应的固化剂后,先后涂覆在石墨纸的两面,固化形成涂层。然后按一定程序升温炭化,制得导电片。再将导电片电解,制备成氧化石墨烯溶液,经过过滤提纯,得到高纯度氧化石墨烯。具体步骤如下:
步骤1.液态树脂先后涂覆在石墨纸的两面,固化形成夹心的涂层;选择涂覆的液态树脂为呋喃树脂或聚酰胺酸树脂的任意一种,石墨纸被固化后的树脂涂层夹在中间,涂层固化后,两个面的厚度保持在0.5mm~1.5mm。
步骤2.按程序升温,由室温升到1700~2000℃,升温速度20℃/h(摄氏度/小时),完成炭化过程;升温程序为:300℃时保温8小时,700℃保温5小时,终点温度保温10小时,采用上述升温程序的作用是为了使炭化的气体能均匀缓慢的排出。时间太长会增加成本,时间太短会导致炭化层裂开。
步骤3.炭化结束后自然冷却制成导电片,取出导电片,浸入浓度为30%~50%的硫酸溶液中,通电电解。
步骤4.电解电压为5V,电解片完全溶解为棕黄色溶液后结束。将电解液用滤膜滤洗到pH为中性,即得高纯度氧化石墨烯溶液,干燥后得到氧化石墨烯粉体,氧化石墨烯的纯度>99wt%,氧化石墨烯片径为100~500nm,单层率>99%。其中,滤膜可以为离子选择膜或微纳陶瓷膜。过滤提纯干净的氧化石墨烯溶液通过冷冻干燥、真空低温干燥或喷雾干燥中任意一种途径处理,都可以得到氧化石墨烯粉体。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明制备石墨烯的装置主要包括:石墨板阴极1、阳极导电片外层2、阳极导电片内石墨纸3、硫酸液4、电解槽5,具体结构如下:
电解槽5中盛放硫酸液4,两个石墨板阴极1的一端伸至硫酸液4中,两个石墨板阴极1的另一端连接负极,两个阳极导电片外层2之间夹设阳极导电片内石墨纸3形成阳极,阳极的一端伸至硫酸液4中,阳极的另一端连接正极。
实施例1
本实施例中,化学电解法制备氧化石墨烯的方法烯的方法,采用呋喃树脂液为涂层,苯磺酰氯为固化剂,依次在石墨纸两侧涂抹形成固化的1mm的涂层,然后从室温以升温速度20℃/h升到温度为1800℃。其中300℃时保温8小时,700℃保温5小时,1800℃保温10小时。终点保温结束后,自然冷却制成导电片。取出导电片浸入浓度为35%的硫酸溶液中,接阳极通电氧化电解,阳极的对面两边为石墨板阴极。电解电压为5V,电解片完全电解为棕黄色溶液。用离子选择透析膜过滤洗到pH为中性,最后通过冷冻干燥得到氧化石墨烯粉体,氧化石墨烯的纯度为99.5wt%。
本实施例中,氧化石墨烯片径为100~300nm,厚度为0.5nm左右(2层以内)。
实施例2
本实施例中,化学电解法制备氧化石墨烯的方法烯的方法,采用呋喃树脂液为涂层,苯磺酰氯为固化剂,依次在石墨纸两侧涂抹形成固化的1.2mm的涂层,然后从室温以升温速度20℃/h升到温度为1700℃。其中300℃时保温8小时,700℃保温5小时,1800℃保温10小时。终点保温结束后,自然冷却制成导电片。取出导电片浸入浓度为45%的硫酸溶液中,接阳极通电氧化电解,阳极的对面两边为石墨板阴极。电解电压为5V,电解片完全电解为棕黄色溶液。用离子选择透析膜过滤洗到pH为中性,最后通过真空低温干燥得到氧化石墨烯粉体,氧化石墨烯的纯度为99.8wt%。
本实施例中,氧化石墨烯片径为150~350nm,厚度为1.2nm左右(4层以内)。
实施例3
本实施例中,化学电解法制备氧化石墨烯的方法烯的方法,采用呋喃树脂液为涂层,苯磺酰氯为固化剂,依次在石墨纸两侧涂抹形成固化的1.5mm的涂层,然后从室温以升温速度20℃/h升到温度为2000℃。其中300℃时保温8小时,700℃保温5小时,1800℃保温10小时。终点保温结束后,自然冷却制成导电片。取出导电片浸入浓度为50%的硫酸溶液中,接阳极通电氧化电解,阳极的对面两边为石墨板阴极。电解电压为5V,电解片完全电解为棕黄色溶液。用微纳陶瓷膜过滤洗到pH为中性,最后通过喷雾干燥得到氧化石墨烯粉体,氧化石墨烯的纯度为99.6wt%。
本实施例中,氧化石墨烯片径为200~300nm,厚度为0.5nm左右(2层以内)。
Claims (7)
1.一种化学电解法制备氧化石墨烯的方法,其特征在于,该方法采用将液态树脂加入对应的固化剂后,先后涂覆在石墨纸的两面,固化形成涂层;然后升温炭化,制得导电片;再将导电片电解,制备成氧化石墨烯溶液,经过过滤提纯,得到高纯度氧化石墨烯,具体步骤如下:
a.液态树脂先后涂覆在石墨纸的两面,固化形成夹心的涂层;
b.按程序升温,由室温升到1700~2000℃,升温速度20±5℃/h,完成炭化过程;
c.炭化结束后自然冷却制成导电片,取出导电片,浸入硫酸溶液中,通电电解;
d.电解电压为4~6V,电解片完全溶解为棕黄色溶液后结束;将电解液用膜滤洗到pH为中性,即得高纯度氧化石墨烯溶液,干燥后得到氧化石墨烯粉体。
2.根据权利要求1所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,其特征在于,步骤a中,涂覆的液态树脂为呋喃树脂或聚酰胺酸树脂。
3.根据权利要求1所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,其特征在于,步骤a中,石墨纸被固化后的树脂涂层夹在中间,涂层固化后,两个面的厚度保持在0.5mm~1.5mm。
4.根据权利要求1所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,其特征在于,步骤b炭化过程中,在300±20℃时保温7~9小时,700±20℃保温4~6小时,终点温度保温9~11小时。
5.根据权利要求1所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,其特征在于,步骤b炭化过程中,炭化终点保温结束后,自然冷却制成导电片;取出导电片,浸入质量浓度为30%~50%的硫酸溶液中,通电电解。
6.根据权利要求1所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,其特征在于,步骤d滤洗过程中,滤膜为离子选择膜或微纳陶瓷膜。
7.根据权利要求1所述的化学电解法制备氧化石墨烯的方法,其特征在于,步骤d中,过滤提纯干净的氧化石墨烯溶液通过冷冻干燥、真空低温干燥或喷雾干燥中任意一种途径处理,得到氧化石墨烯粉体。
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