CN113003567A

CN113003567A - 一种还原氧化石墨烯的装置及方法

Info

Publication number: CN113003567A
Application number: CN202110489675.7A
Authority: CN
Inventors: 曹殿学; 董澍
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2041-05-06
Also published as: CN113003567B

Abstract

本发明提供一种还原氧化石墨烯的装置及方法，利用电容器瞬间放电的特性使其在常压空气氛围下，秒级时间内产生大量焦耳热将电极间的氧化石墨烯还原；将氧化石墨烯粉末装入反应装置后；选定电容器后利用直流稳压电源给电容器充电；充电至预定电压后放电。本发明所设计的装置简单、安全、消耗能源少，所制备的还原氧化石墨烯步骤简易，一步便可完成氧化石墨烯的还原。

Description

一种还原氧化石墨烯的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种还原氧化石墨烯的装置，还涉及一种还原氧化石墨烯的方法，属于还原氧化石墨烯领域。

背景技术

石墨烯是以sp²杂化的单层碳原子紧密排列成二维结构的一种碳的同素异形体。自从2004年发现石墨烯以来，其独特的物理、化学、光电性质就吸引了研究者们的广泛关注。

目前的还原氧化石墨烯的方法主要有两种，化学还原法和高温热还原法：

化学还原法：有机(有机胺、醇、酸、糖类)或无机还原剂(硼氢化钠、氢碘酸等)加入到氧化石墨烯分散液中，通过化学反应除去含氧官能团(如：-COOH、-OH、-C＝O和-C-O-C等)获得还原氧化石墨烯。

制备过程均需要固液分离、干燥和废液回收的步骤；使用肼或硼氢化钠等强还原剂虽然有利于减少石墨烯的氧含量，但它们毒性高，且难以与产品分离；使用醇、酸、糖类温和类还原剂虽然毒性低，易分离，但引入了其他含氧官能团，获得的石墨烯氧含量极高导致其导电性、导热性等性能的显著下降。

化学还原法技术问题：必须引入还原剂，且须在水系或有机系介质中进行还原，污染严重，得到的产品残氧量高。

高温热还原法：是在惰性气氛下对氧化石墨烯进行快速高温(～1000℃)热处理(热退火)，使含氧官能团发生裂解反应形成CO₂或H₂O等并释放出。

由于高温处理时产品是由外向内的温度逐渐升高的步骤，如果控制能耗使还原温度下降或还原时间缩短，则会导致还原不完整；缓慢热处理过程中，伴随石墨烯层间含氧官能团的缓慢裂解，使原本插层后的氧化石墨烯重新堆叠，得到产品层数较高，比表面积较低；当在有氧环境进行高温还原时石墨烯中的碳会与氧气产生燃烧反应，生成CO₂造成产品损失以及空气污染；

高温热还原法技术问题：高能耗加热功能，无氧环境保护，且得到的石墨烯层数较多。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的问题，提出了一种还原氧化石墨烯的装置和方法。

一种还原氧化石墨烯的装置，包括反应器和电源系统；所述反应器包括外保护壳，所述外保护壳两侧开孔通入第一输入线路和第二输入线路，所述外保护壳底部固定绝缘电木支撑架，正极导电铜棒一端穿过绝缘电木支撑架，插孔连接第一负重铜圆盘、第一导电铜圆盘，另一端设置有第一凹槽，正极石墨棒一端与第一凹槽相配合，另一端接触反应材料，负极导电铜棒一端穿过绝缘电木支撑架，插孔连接第二负重铜圆盘、第二导电铜圆盘，另一端设置有第二凹槽，负极石墨棒一端与第二凹槽相配合，另一端接触反应材料，所述第一输入线路与第一导电铜圆盘相连，所述第二输入线路与第二导电铜圆盘相连，还包括高温石英管，所述正极石墨棒和负极石墨棒放入高温石英管内作为反应电极。

所述电源系统包括电容器充电电源、能量系统和释放电路：

电容器充电电源：使用可调节直流稳压电源或采用直流稳压电源并联电阻的方式设置电压调节电位器，在电源端串联保护电阻，并设置充电电压、电流表V₁、A₁，采用继电器方式开关充电电源；

能量系统：将可调节直流稳压电源与系统串联，多个电容器进行并/串联得到超高能量释放系统，系统两端设置电容电压表V₂，并联大功率放热电阻R₂作为剩余能量释放电路；

释放电路设置：采用IGBT或可控硅模块电路作为释放能量的开关通路，另外设置驱动电源对模块供电，因为还原氧化石墨烯的低电阻、高导电特性，串联0.5Ω的康铜丝作为可放热电阻R₃防止电路短路；

所述外保护壳使用耐高温亚克力材质；

一种还原氧化石墨烯材料的制备方法：包括以下步骤：

步骤一：将氧化石墨烯粉末装入反应器中的石英管；

步骤二：利用电源系统给选定电容器C_1-n充电至预定电压后关闭充电按钮；

步骤三：打开放电按钮，完成反应，切断开关K₃打开剩余能量释放开关K₂，将电容器中未释放的剩余能量进行释放，重复步骤二，对产品进行多次能量击打，最后得到产品。

所述氧化石墨烯粉末固体氧化石墨烯类粉末，包括膨胀石墨或氧化石墨。

所述氧化石墨烯产品质量依据装置可释放能量大小确定，1200J以内的能量可完全还原50mg氧化石墨烯，根据所需产品的不同要求进行能量调控。

所述对产品进行多次能量击打是将材料放入装置之后，进行多次的电容器充电、放电过程。

本发明构思：在固体氧化石墨烯粉末两端施加直流电进行瞬时大电流直流放电，利用在不良导体氧化石墨烯内部产生的焦耳热，瞬间将氧化石墨烯均匀加热到超高温度，使含氧基团裂解去除获得还原氧化石墨烯(瞬时高能量冲击)。

本发明构思特点：

1、瞬间超高能量还原氧化石墨烯

无论使用化学还原(内部键能的变化)还是高温热还原(持续施加热能量)的方法，都是对氧化石墨烯中的氧化官能团施加一定能量使其化学键断裂开，如果利用瞬间的超高能量对固体氧化石墨烯进行击打，能量均匀施加于材料内部，在常压空气氛围下即可使材料在瞬间升到超高温度，能够使氧化石墨烯得到还原。

2、瞬间超高能量还原反应产品残氧量低，且防止石墨烯层数堆积

不引入介质以及还原剂，从根本上解决了固液分离、干燥、废液的产生等问题；由于反应温度极高且温度分布均匀，石墨烯材料残氧量低，导电性高；超高温下含氧官能团生成的CO₂和H₂O等气体瞬时释放，起到膨胀阻隔作用，抑制了石墨烯的堆叠，利于石墨烯层数的控制。

3、瞬间的超高能量反应允许在常压空气氛围下进行还原反应，不需要无氧环境保护

在瞬间(秒级)的高能量击打下发生的瞬间高温反应能够使反应物质不与空气中的氧进行任何反应就完成还原，因此不需要惰性气体或真空环境下的无氧保护。

4、瞬间的超高能量击打相对于传统高温热还原的方法能耗降低

由于反应在瞬间完成，热量主要以黑体辐射的形式在碳中传递，还原过程近乎绝热反应，因此热损失极小，且相对于传统的长时间升温、保温的高温还原过程，有着超低的能耗；

实现本发明构思需要解决以下关键技术问题

1、瞬间的超高能量的获取；

现有技术中难以获取满足本发明构思中所需的瞬间的超高能。实现超高能量通常需要超大功率电器实现，而传统的超大功率电器在实际应用中无法达到瞬间的能量释放，只能对材料持续施加高能量，如：长时间的材料两端高电压处理使材料升温或将电能通过高温电阻转化为热能使其产生能量等，无法达到超短时间的热处理降低还原氧化石墨烯层数堆叠的目的，也不能降低能耗；对于大功率电器瞬间释放的超高能量的调控也无法做到通过程序精准释放或控制，在生产中不但无法做到精准还原，也不能做到安全生产。

本发明构思中所需的瞬间的超高能量为利用电路接通时的高电流通过材料产生瞬间高能量。我们考虑到电流的传播在电路接通的一瞬间即可发生，速度能够达到300000km/s，最直接的方式可以通过使用工业大功率电源对反应物质进行瞬间的通电，但这种方式反应电路接通于电网，瞬间的高电流对电网易造破坏，而且由于反应物质本身的高电阻，实现上千安培的瞬间高温电流需要十万伏特左右的高压直流电源以及高压电网，接通开关也需要抗高压的继电器，成本不可估量；通过瞬间的短路实现大电流传播也是一种方式，但每次的短路反应都会对电路造成不可逆的损坏。

本发明技术方案,获得了技术成果如下：利用电容器瞬间放电的特性进行反应，采用多个电容器串并联的方式产生瞬间的高电流放电，产生超高能量，不需要惰性气体氛围或真空环境下的无氧保护，即可在常压空气氛围中进行反应。设置继电器的方式对放出能量的大小进行调控。电源系统通过多个电容器串并联组成，使用直流电源对电容器进行充电(或以其它方式对电容器进行充电)，由逻辑控制开关控制其充电电压以及个数选择，再由均压电路使电容器充电电压一致，并添加保护电路防止瞬间产生的大电流破坏电路。可通过逻辑控制开关或其它方式对电容器的放电电压、放电容量、放电时间、脉冲次数等进行调控(或使用单片机等程序电路控制、监测)。电容器放电时利用电容器存储的电能进行放电，反应系统独立于电网供电系统，放电结束后可再连接电网补充电能，因此反应时的高压以及瞬间的高温、大电流也不会对电网造成任何影响；实现对不同质量的氧化石墨烯进行不同能量的电击进行还原，为工业化生产提供了思路。

2：瞬间超高能量对材料释放的介质；

现有技术中难以获取满足本发明构思中所需的瞬间超高能量释放于材料的介质。当我们将超高能量通过电容器瞬间释放高电流的方式施加于材料，需要将材料与电路紧密相连。如果选择直接将电路电缆接于材料两端，则会导致高温使电缆铜线融化造成线路短路等问题；

本发明构思中所需的释放瞬间超高能量的介质应为电极。但是瞬间产生超高温度会融化电极，较活泼的有还原性的金属电极会与氧化石墨烯产生还原反应，不断的蚕食电极；使用较为惰性的金属电极，其电阻率又过高，导致线路中的能量损失，无法达到超高能量的传输目的。常用的电极包括：铜、钨、铂、合金电极等。铜可以使能量在传输过程中基本没有损耗，但是瞬间的高温会导致铜的熔化，多次使用后会造成电极破损，且铜作为还原性较强的金属，反应过程中易与氧化石墨烯发生还原反应，引入金属杂质；钨电极虽然熔点高，但是电阻率却有着5.48×10^-8Ωm，是铜的5倍，易造成能量损失；铂电极作为一种贵金属电极，熔点较低，电阻率接近于铜，但造价成本过高且高温下易破损；其余合金电极都有着相关技术问题。

因此获取满足本发明构思中所需的瞬间的超高能量释放于材料的介质具有技术难度。

通过反复试验，修改技术方案,获得以下成果：以不损失电路能量、不引入杂质、电极可循环利用、控制成本等为前提，在接触端采用石墨棒，尾端与铜棒相连作为电极。石墨作为接触电极，有着较低的电阻率，能够在能量损失较小的情况下保护电极，在多次反应中不引入金属杂质。选用石英管或其他耐高温材料作为反应容器，将输出线路两端接入石墨电极两端作为反应器，调整材料反应时的紧密程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所采用的装置成本较低，相比于大型微波反应器或管式炉有着较小的占地空间以及购买成本，且不需要惰性气体的保护，节约了相关成本，实现工业化更加容易；

2、本发明采用瞬时电热还原氧化石墨烯所用时间非常短，化学还原以及传统高温还原的方式都需要较多时间进行反应或保温，本发明仅需秒级时间就可以还原定量氧化石墨烯，进一步降低了生产成本并提高了产量；

3、本发明设计的方法相对安全，不使用对人体、环境造成损伤的强还原剂，不使用大功率电源、不使用工业高压电，生产中能够保证操作人员安全。

附图说明

图1是切面图：反应器中线的切面正视图；

图2是剖面图：沿反应器中的电木支撑架中线的左视图；

图3是实物图：(a)本发明的设备面板；(b)本发明的反应装置；(c)将5个电容器充电至200V时的面板显示；(d)反应瞬间产生的闪光；

图4是以不同的能量击打氧化石墨烯得到的材料表征和反应现象：(a-c)1个电容器在200V电压下对氧化石墨烯击打1次和材料表征；(d-f)1个电容器在200V电压下对氧化石墨烯击打8次和材料表征；(g-i)3个电容器在200V电压下对氧化石墨烯击打1次和材料表征；(j-l)5个电容器在200V电压下对氧化石墨烯击打1次和材料表征；(m-n)得到的还原氧化石墨烯的透射电镜图和高分辨透射电镜图，得到的材料层数为3层左右；(o)得到的材料的晶体衍射图；

图5是5个电容器在200V电压下对氧化石墨烯击打1次得到的材料和氧化石墨烯的红外对比图；

图6是5个电容器在200V电压下对氧化石墨烯击打1次得到的材料和氧化石墨烯的拉曼谱图对比；

图7为最好一组的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的红外谱图对比，含氧官能团去除较为彻底；

图8为最好一组的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的热重谱图对比，材料含碳量达到95％以上；

图9、10为最好一组的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的XPS谱图对比，含氧碳官能团的峰面积明显减小，且sp²杂化键占比明显提升；

图11为所制备的超级电容器测得的循环伏安曲线，在-1至0的电压范围中呈现较为标准的矩形，是双电层电容的特性；

图12为所制备的超级电容器测得不同电流密度下的充放电曲线，呈现较好的倍率性能；

图13为所制备的超级电容器测得10000次循环充放电的曲线，能够达到90％的容量保持率；

图14为得到的材料的透射电镜图片，能够看到Super-P很好附着在还原氧化石墨烯层间；

图15为制备的磷酸铁锂电池在3C与10C下1000次的循环充放电曲线，分别能达到140mAh/g和85mAh/g的比容量；

图16为制备的石墨烯的透射电镜图片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明公开了一种用于高效还原氧化石墨烯的装置和方法，将氧化石墨烯放入装置中以石墨电极进行挤压，开启电源给选定电容器充电再放电。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。例如增加、减少电容器各数或更改控制电容器电路，或改变反应装置等，都属于本发明的保护范围。

本发明的具体研究方案如下：

还原氧化石墨烯装置由反应器1和电源系统组成，反应器1包括外保护壳101，外保护壳101两侧通入电缆的第一输入线路102、第二输入线路103，连接第一导电铜圆盘104、第二导电铜圆盘105，内部装置两侧设置第一负重铜圆盘106、第二负重铜圆盘107，底部设置绝缘电木支撑架108，正极导电铜棒109、负极导电铜棒(110)通过穿孔方式架于支撑架108两侧中心，一端穿过第一导电圆盘104、第二导电圆盘105与第一负重圆盘106、第二负重圆盘107，另一端挖槽处理，正极石墨棒111、负极石磨棒112一端紧密连接于导电铜棒的凹槽处，另一端接触反应材料，反应材料放入耐高温石英管113，石磨棒111、112放入石英管内作为反应电极。

电源系统包括电容器充电电源、能量系统和释放电路。

电容器充电电源：使用可调节直流稳压电源(视电路中电容器额定电压设置)或采用直流稳压电源并联电阻的方式设置电压调节电位器，在电源端串联保护电阻，并设置充电电压、电流表V₁、A₁，采用继电器方式开关充电电源；

能量系统：将可调节直流稳压电源与系统串联，多个电容器进行并(串)联得到超高能量释放系统，系统两端设置电容电压表V₂，并联大功率放热电阻R₂作为剩余能量释放电路；

释放电路设置：采用IGBT(或可控硅)模块电路作为释放能量的开关通路，另外设置驱动电源对模块供电，因为还原氧化石墨烯的低电阻、高导电特性，串联0.5Ω的康铜丝作为可放热电阻R₃防止电路短路。

电源系统设置电容器充电电源，使用直流稳压电源对电容器进行快速充电，且充电电压小于电容器额定电压，并在电源两端串联保护电阻；能量系统特征在于多个电容器以串联或并联的形式进行能量的存储，在电容器组端并联大功率放热电阻作为剩余能量释放电路；释放电路特征在于使用IGBT(可控硅)模块电路作为释放能量的开关，单独设置驱动电源，在输出电路上串联可放热的小于1Ω的电阻(康铜丝)，外保护壳(采用亚克力材质，且两侧均设置电路输入孔，所用铜材质均采用导电铜，支撑架108采用胶粘的方式连接外保护壳101底部，采用绝缘电木材质，正极石墨棒111、负极石墨棒112采用导电石墨棒材质，石英管113特征在于相比于一般石英管壁厚较大，防止反应瞬间高温对管壁的破坏。

还原氧化石墨烯方法为：

步骤一：将氧化石墨烯粉末样品装入反应器113中，两端接入正负石墨电极111、112，调整材料与电极接触相连；

步骤二：每50mg的氧化石墨烯粉末调整200J至1200J的能量进行击打，通过公式1调整电容器容量与电压的关系使其能够达到相应能量

打开直流稳压电源与电容器充电开关K1与KCn，至预设电压后关闭；

步骤三：打开电容器能量释放开关K₃，一秒钟内发生闪光现象，反应结束，释放电容器中未释放的剩余能量，即切断开关K₃打开剩余能量释放开关K₂，重复步骤二，对产品进行1至8次能量击打，最后得到产品；

技术说明

步骤1说明：为了防止线路中能量损失，输出线路选用超低电阻率的铜棒或其他材料；防止反应产生的瞬间高温破坏电极，选用具有3652℃以上的超高熔点的石墨作为接触电极，空气是不导电的，因此将材料与电极紧密贴合后固定位置再进行反应；

步骤2说明：使用设备给电容器充电时要首先计算好本次反应所需能量，利用公式1设置好充电电压选择电容器个数后进行充电，如果充电电压与预设不符，可以设计根据所用电容器个数所匹配的放电电路，进行多余电容能量释放，本发明可选择n个电容器以串联或并联的方式进行反应，当反应材料增多时，可以选择个数更多、容量更大电容器进行反应，由于得到的石墨烯产品比热容低，为了防止瞬间超高温可能导致反应器破裂，将能量控制在1500J以内。

步骤3说明：由于电容器放电电路独立于电网，因此放电结束后，可以再利用直流电源对电容器进行电量补充，以上电路中所有的显示表等均可以使用单片机等程序控制电路来替代，不但可以监测放电电流、电压，还可以监测更多例如：功率、所用电量等参数；放电开关打开瞬间反应装置会产生超强亮光，可以通过高灵敏度程序电路监测放电时间、放电电流、反应温度等参数来体现反应过程，当产生亮光后，放电电压、电流为0时说明反应结束。

实施例1：

一种还原性氧化石墨烯的装置，包括反应器1与电源系统，其中反应器1中包括外保护壳101，大小为4000mm*200mm*300mm；其特征在于：使用耐高温亚克力材质，两侧离底50mm中心处开孔10mm通入电缆；25平方毫米电缆的输入线路102、103，与外壳101采用螺纹孔相连；插孔连接导电铜圆盘104、105，直径30mm，将102、103分别通过冷压端子连接，中心开孔直径8mm；负重铜圆盘106、107通过插孔连接，直径30mm，中心开孔直径8mm；绝缘电木支撑架108，两侧中心开孔8mm，通过胶粘方式固定于101底部；正、负极导电铜棒109、110，长120mm，直径8mm，铜棒一端穿过108支撑架，与104、105采用螺纹孔相连，接入线路，另一端中心挖槽5mm深，直径3.8mm；正负极石墨棒111、112，长30mm，直径3.8mm，一端接于109、110导电铜棒的凹槽处，另一端接触反应材料；耐高温石英管113，直径4mm，壁厚2mm，111、112石磨棒放入石英管内作为反应电极。电源系统包括电容器充电电源，其特征在于使用直流稳压电源：0-350V对电容器进行快速充电，且充电电压小于电容器额定电压，并在电源两端串联保护电阻R₁(120Ω*2，500W)；能量系统特征在于多个电容器以串联或并联的形式进行能量的存储，本实施例将10个5600mF，额定电压400V的电容器并联(C1-C10)，在电容器组端并联大功率放热电阻R₂(1000Ω，500W)作为剩余能量释放电路；释放电路特征在于使用IGBT(可控硅)模块电路作为释放能量的开关，单独设置12V驱动电源，在输出电路上串联0.5Ω的康铜丝作为可放热电阻R₃。

步骤一：利用Hummers法制备得到的氧化石墨烯进行粉碎处理；

步骤二：将步骤一得到的粉末称量50mg加入石英管113中，放入反应装置；

步骤三：打开直流电源，选择电容器C1，充电至200V；

步骤四：充电达到预定电压后关闭充电按钮，按下放电按钮，出现图1(a)现象，击打能量为112J；

步骤五：取出石英管和电极，得到还原氧化石墨烯，在水中超声分散烘干后得到最终材料。

本实施例得到的产品还原程度较低，但缺陷位点较多，可用于合成其他材料使用。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤四中，进行重复充放电8次直至反应不再发生闪光现象，即使用112J的能量击打8次，如图1(d)中的闪光现象逐次减弱。

本实施例得到的产品还原程度很高，含氧官能团基本去除，得到的产品强度较大，但有堆叠现象。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤三中，选择电容器C1、C2、C3进行充电和反应，击打能量为336J，击打次数为1次，如图1(g)的现象。

本实施例得到的产品还原程度较高，仍有一部分含氧官能团的存在，有一定缺陷，但层数较少。

实施例4：

本实施例与实施例1或3基本相同，但在步骤三中，选择电容器C1、C2、C3、C4、C5进行充电和反应，击打能量为560J，如图1(j)的现象。

本实施例得到的产品还原程度很高，含氧官能团非常少，缺陷较少，层数很少。

图4中的扫描电镜图像能够明显看出当击打能量不足560J或者小能量击打次数过多时都会导致材料还原效果不够好，还原氧化石墨烯层数过多。

图5为所制备的不同条件下的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的XRD谱图，当以5个电容器在200V电压下击打时得到的还原氧化石墨烯最好，石墨特征峰明显消除。

图6为所制备的不同条件下的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的拉曼谱图，同样说明当以5个电容器在200V电压下击打时得到的还原氧化石墨烯最好，有序度较高且sp²杂化程度较好。

图7为最好一组的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的红外谱图对比，含氧官能团去除较为彻底。

图8为最好一组的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的热重谱图对比，材料含碳量达到95％以上。

图9、10为最好一组的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯的XPS谱图对比，含氧碳官能团的峰面积明显减小，且sp²杂化键占比明显提升

实施例5：

本实施例与实施例4步骤相同，将得到的还原氧化石墨烯与PTFE分散液和Super-P在酒精中混合超声后刮涂于泡沫镍，与银/氯化银参比电极、石墨棒组成三电极体系在6MKOH进行超级电容器电化学性能测试。

图11为所制备的超级电容器测得的循环伏安曲线，在-1至0的电压范围中呈现较为标准的矩形，是双电层电容的特性。

图12为所制备的超级电容器测得不同电流密度下的充放电曲线，呈现较好的倍率性能。

图13为所制备的超级电容器测得10000次循环充放电的曲线，能够达到90％的容量保持率。

实施例6：

石墨烯由于其优异的导电性能和2D片状结构的特点，作为电极的导电剂在锂离子电池的生产中已经开始大规模的使用。通常是将石墨烯(面)与导电炭黑(点)联合使用，形成点-面结合的导电网络，从而显著降低电池的内阻。目前都是将石墨烯和导电炭黑与电极材料直接机械搅拌混合的方式使用，这样形成点-面结合的导电网络的效果较差，难以充分发挥石墨烯导电剂的作用。将石墨烯和导电炭黑一体化(复合)是保障石墨烯作用发挥的有效途径，但目前缺少低成本的复合方法。

因此使用本方法进行发明，本实施例与实施例4步骤基本相同，其不同之处在于：将步骤一中的氧化石墨烯粉末替换为Super-P与氧化石墨烯的1：1混合粉末。

图14为得到的材料的透射电镜图片，能够看到Super-P很好附着在还原氧化石墨烯层间。

图15为制备的磷酸铁锂电池在3C与10C下1000次的循环充放电曲线，分别能达到140mAh/g和85mAh/g的比容量。

实施例7：

本实施例与实施例6步骤基本相同，其不同之处在于：将步骤一中的氧化石墨烯粉末替换为可膨胀石墨粉末。

图16为制备的石墨烯的透射电镜图片。

本发明提供一种快速环境友好高效的还原氧化石墨烯设备装置以及方法，利用电容器瞬间放电的特性使其在常压空气氛围下，秒级时间内产生大量焦耳热将电极间的氧化石墨烯还原；将氧化石墨烯粉末装入反应装置后；选定电容器后利用直流稳压电源给电容器充电；充电至预定电压后放电。本发明所设计的装置简单、安全、消耗能源少，所制备的还原氧化石墨烯步骤简易，一步便可完成氧化石墨烯的还原。

Claims

1.一种还原氧化石墨烯的装置，其特征在于，包括反应器和电源系统；所述反应器包括外保护壳(101)，所述外保护壳(101)两侧开孔通入第一输入线路(102)和第二输入线路(103)，所述外保护壳(101)底部固定绝缘电木支撑架(108)，正极导电铜棒(109)一端穿过绝缘电木支撑架(108)，插孔连接第一负重铜圆盘(106)、第一导电铜圆盘(104)，另一端设置有第一凹槽，正极石墨棒(111)一端与第一凹槽相配合，另一端接触反应材料，负极导电铜棒(110)一端穿过绝缘电木支撑架(108)，插孔连接第二负重铜圆盘(107)、第二导电铜圆盘(105)，另一端设置有第二凹槽，负极石墨棒(112)一端与第二凹槽相配合，另一端接触反应材料，所述第一输入线路(102)与第一导电铜圆盘(104)相连，所述第二输入线路(103)与第二导电铜圆盘(105)相连，还包括高温石英管(113)，所述正极石墨棒(111)和负极石墨棒(112)放入高温石英管(113)内作为反应电极，反应材料为膨胀石墨或氧化石墨。

2.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯的装置，其特征在于，所述电源系统包括电容器充电电源、能量系统和释放电路：

释放电路设置：采用IGBT或可控硅模块电路作为释放能量的开关通路，另外设置驱动电源对模块供电，因为还原氧化石墨烯的低电阻、高导电特性，串联0.5Ω的康铜丝作为可放热电阻R₃防止电路短路。

3.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯的装置，其特征在于，所述外保护壳(101)使用耐高温亚克力材质。

4.一种还原氧化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将氧化石墨烯粉末装入反应器(1)中的石英管(113)；

步骤三：打开放电按钮，完成反应，切断开关K₃打开剩余能量释放开关K₂，将电容器中未释放的剩余能量进行释放，重复步骤二，对产品进行多次能量击打，最后得到产品，所述氧化石墨烯粉末固体氧化石墨烯类粉末，包括膨胀石墨或氧化石墨。

5.根据权利要求4所述还原氧化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯产品质量依据装置可释放能量大小确定，1200J以内的能量可完全还原50mg氧化石墨烯，根据所需产品的不同要求进行能量调控。

6.根据权利要求4所述还原氧化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，所述对产品进行多次能量击打是将材料放入装置之后，进行多次的电容器充电、放电过程。