CN113046767B - 一种快速批量制备石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体公开了一种快速批量制备石墨烯的方法。该方法在电解液中加入碳源前驱体，插入电极通电，过滤，取过滤后的沉淀干燥，即得到石墨烯纳米片，充分弥补了传统制备方法在制备时间长、耗费试剂量大、耗能高等方面的不足，得到的石墨烯纳米片产率高、结构均匀，平均厚度为0.7～1.5nm，为2～5层石墨烯。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯制备技术领域，特别是涉及一种快速批量制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯由单层sp2杂化碳原子排列组成，是已知的最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎完全透明，质轻且具有良好的柔韧性和超强的导电、导热性，在超级电容器、透明电极、海水淡化、发光二极管、传感器、储氢、太阳能电池、催化剂载体、复合材料、生物支架材料、药物输送等领域有广泛的应用。
近年来，经过科研人员的不断努力，石墨烯的制备方法已趋于多样化，大致可分为两大类：一类是在外力的作用下破坏石墨层间的范德华力，将石墨片层剥离下来，得到层数较少的石墨烯，这类方法主要包括机械剥离法、氧化还原法和液相剥离法、电化学剥离法、超临界流体剥离法等；另一类则主要是通过化学的方法来合成石墨烯片层，主要包括化学气相沉积法、外延增长法和有机合成法等，上述合成石墨烯的方法往往耗时耗力，成本较高，不能满足工业生产。而且目前的工业生产中产生了大量的废弃有机物以及废弃有机试剂，这些废弃的有机物以及废弃有机试剂对环境存在污染，并且难以处理存在很大的处理问题。所以如何合理利用废弃有机溶剂开发一种石墨烯的制备方法，从而解决以上技术问题并解决废弃有机溶剂的处理问题，成为目前主要的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速批量制备石墨烯的方法，该方法充分弥补了传统制备方法在制备时间长、耗费试剂量大、耗能高等方面的不足，得到的石墨烯纳米片产率高、结构均匀，平均厚度为0.7～1.5nm，为2～5层石墨烯。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种快速批量制备石墨烯的方法，包括以下步骤：在电解液中加入碳源前驱体，插入电极通电，过滤，取过滤后的沉淀干燥，即得到石墨烯纳米片。
作为本发明的进一步优化，过滤采用微孔滤膜进行过滤。
作为本发明的进一步优化，所述电解液与碳源前驱体的体积比为(10-1)∶1，所述电解液为摩尔浓度0.01-0.5mol/L的氯化盐溶液。
作为本发明的进一步优化，所述氯化盐包括氯化镁、氯化钠或氯化钙的其中一种。
作为本发明的进一步优化，所述碳源前驱体为含碳有机物。
作为本发明的进一步优化，所述含碳有机物包括水溶性醇、水溶性酮和水溶性醛的其中一种。
作为本发明的进一步优化，通电电压为5-30V，通电时间为1-2小时。
作为本发明的进一步优化，所述电极为具有催化活性的金属电极。
作为本发明的进一步优化，所述过滤还包括过滤完成后用去离子水反复冲洗沉淀物，直至冲洗液中不再含有氯化盐。
作为本发明的进一步优化，所述干燥包括冷冻干燥、真空干燥或常压干燥的其中一种。
本发明公开了以下技术效果：
本发明采用氯化盐类溶液作为电解液，水溶性醇、水溶性酮和水溶性醛为前驱体制备石墨烯纳米片，具有原料来源广泛，环保等优点，能够降低生产成本，减少有机试剂对环境的污染，提高废弃有机试剂和氯化盐的利用率和利用价值。本发明石墨烯纳米片的制备方法简单、快速，操作方便，用时短，低成本，易于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制得的石墨烯的SEM图；
图2为实施例1制得的石墨烯的AFM图；
图3为实施例2制得的石墨烯的AFM图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
(1)量取0.5mol/L的CaCl2溶液100ml于500ml烧瓶中，并加入10ml废环己醇。
(2)将Pt作为直流电源的正极(阳极)，镍块(1cm×1cm×1cm)作为负极(阴极)，将电源电压设置成15V，并持续通电2h。
(3)将电解后的溶液用微孔滤膜过滤，然后用去离子水洗涤沉淀直至冲洗液中不再含有CaCl2，冷冻干燥，则可以得到石墨烯纳米片。
实施例1制备的石墨烯的SEM图见图1；实施例1制备的石墨烯纳米片AFM图见图2；AFM测得实施例1制备的石墨烯纳米片的平均厚度在1.5nm左右，单层石墨烯厚度为0.34nm，所以实施例1制备的石墨烯纳米片为5层石墨烯结构。
实施例2
(1)量取0.5mol/L的NaCl溶液100ml于500ml烧瓶中，并加入10ml废异丙醇。
(2)将Pt作为直流电源的正极(阳极)，铜块(1cm×1cm×1cm)作为负极(阴极)，将电源电压设置成5V,并持续通电1h。
(3)将电解后的溶液用微孔滤膜过滤，然后用去离子水洗涤沉淀直至冲洗液中不再含有NaCl，真空干燥，则可以得到石墨烯纳米片。
本实施例制备的石墨烯纳米片AFM图见图3；AFM测得的实施例2制备的石墨烯纳米片的平均厚度在0.7nm左右，单层石墨烯厚度为0.34nm，所以实施例2制备的额石墨烯纳米片为2层石墨烯结构。
实施例3
(1)量取0.5mol/L的CaCl2溶液100ml于500ml烧瓶中，并加入10ml废正己醇。
(2)将Pt作为直流电源的正极(阳极)，铜块(1cm×1cm×1cm)作为负极(阴极)，将电源电压设置成10V,并持续通电2h。
(3)将电解后的溶液用微孔滤膜过滤，然后用去离子水洗涤沉淀直至冲洗液中不再含有CaCl2，冷冻干燥，则可以得到石墨烯纳米片。
实施例4
(1)量取0.5mol/L的NaCl溶液100ml于500ml烧瓶中，并加入10ml废异丙醇。
(2)将Pt作为直流电源的正极(阳极)，锑块(1cm×1cm×1cm)作为负极(阴极)，将电源电压设置成15V，并持续通电2h。
(3)将电解后的溶液用微孔滤膜过滤，然后用去离子水洗涤沉淀直至冲洗液中不再含有NaCl，冷冻干燥，则可以得到石墨烯纳米片。
实施例5
(1)量取0.5mol/L的MgCl2溶液100ml于500ml烧瓶中，并加入10ml异丙醇。
(2)将Pt作为直流电源的正极(阳极)，硅片(1cm×1cm×0.1cm)作为负极(阴极)，将电源电压设置成10V，并持续通电1h。
(3)将电解后的溶液用微孔滤膜过滤，然后用去离子水洗涤沉淀直至冲洗液中不再含有MgCl2，冷冻干燥，则可以得到石墨烯纳米片。
实施例6
制备方法同实施例1，不同之处仅在于电解液为0.2mol/L的氯化盐溶液。
实施例7
制备方法同实施例1，不同之处仅在于电解液为0.01mol/L的氯化盐溶液。
实施例8
制备方法同实施例1，不同之处仅在于称取0.5mol/L的CaCl2溶液100ml于500ml烧瓶中，并加入100ml废环己醇。
实施例9
制备方法同实施例1，不同之处仅在于称取0.5mol/L的CaCl2溶液100ml于500ml烧瓶中，并加入100ml废环己醇。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种快速批量制备石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：在电解液中加入碳源前驱体，插入电极通电，过滤，取过滤后的沉淀干燥，即得到石墨烯纳米片；所述电解液与碳源前驱体的体积比为(10-1)∶1，所述电解液为浓度0.01-0.5mol/L的氯化镁、氯化钠或氯化钙溶液的其中一种；所述碳源前驱体为水溶性醇；
通电电压为5-30V，通电时间为1-2h；
所述电极为具有催化活性的金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种快速批量制备石墨烯的方法，其特征在于，所述干燥包括冷冻干燥、真空干燥或常压干燥的其中一种。
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