[发明专利]一种废旧电池碳棒再生为石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于废旧电池的回收利用领域，特别是涉及一种废旧电池碳棒再生为石墨烯的方法。

背景技术

随着能源问题的日益突出，特别是石油、煤炭等不可再生能源的不断消耗，人们对于新型能源和新型储能装置的需求越来越迫切。电池作为一种电化学储能装置，在人们的生产和生活中扮演着重要的角色。锌锰干电池由于其具有高功率、高容量和低自放电等特性，在一次电池的消费中占据了主导地位。由于锌锰干电池属于一次电池，在人们的使用过程中，往往忽略废旧电池的回收再利用，随意弃置的电池会对生态环境造成巨大的危害。因此，对于废旧电池各部分的回收和再利用就显得尤为重要。目前对于废旧电池的回收利用已经有了广泛的研究，但是多数研究关注于金属锌和二氧化锰的回收和提取，而对于其中价值较低的碳棒的回收利用关注较少。碳棒的主要组成为石墨，石墨在国家的工业和人民生活中发挥了十分重要的作用，同时也是各种其他碳质材料的重要前躯体。

石墨烯，是一种自由态二维晶体，它具有良好的电学、力学、光学等性质，在物理和化学领域具有广阔的应用前景。目前制备石墨烯的方法主要包括：机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、化学剥离方法和电化学方法，在制备石墨烯的方法中，杨全红等提出的低温负压化学解理法可实现低成本的宏量制备，其制得石墨烯具有良好的结构，并且在电化学出能上展示出良好的性能[Wei Lv，Dai-Ming Tang，Yan-Bing He et al. ACS Nano，2009，3(11): 3730-3736；杨全红，高电化学容量氧化石墨烯及其低温制备方法和应用，CN 101367516 B.]。利用电化学方法，可以有效地调节电流电压等实验参数，实现石墨烯的可控和快速制备。Kim等利用电化学方法成功从石墨块体材料上剥离出单层或几层的石墨烯，证明了电化学方法是一种制备石墨烯的有效方法[Seung-Hun Lee，Seung-Deok Seo，Dong-Wan Kim et al. Electrochemistry Communications，2010，12(10): 1419-1422.]，其他一些研究小组也成功的利用电化学方法制备出石墨烯，Loh等人将石墨在碳酸丙烯酯和Li⁺盐的电解液中进行插层，然后利用强超声将石墨插层化合物剥离为石墨烯[Jun-Zhong Wang, Kian-Ping Loh et al. Journal of The American Chemical Society，2011，133: 8888-8891.]。但是上述成果所用的前躯体均为高质量的碳质材料，如高定向热解石墨（Highly Oriented Pyrolytic Graphite，HOPG）等 ，成本相对较高，所用电解液如碳酸丙烯酯和锂盐等也需要较高成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种废旧电池碳棒再生为石墨烯的方法，该方法过程简单，成本低廉，环保经济，可以变废为宝。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种废旧电池的碳棒再生为石墨烯的方法，包括以下步骤：

（1）在电解槽中，以惰性电极为阴极，以干燥洁净的碳棒为阳极，以酸性溶液为电解液，在恒定的电压U下进行电解，得到富含石墨烯的溶液，所述电压U的范围是0V<U≤30.0V；

（2）将所述富含石墨烯的溶液过滤，滤饼依次用酸性洗液和去离子水洗涤至洗涤液呈中性，得到石墨烯滤饼；所述酸性洗液为5wt%～15 wt %的盐酸、5 wt %～15 wt %的硫酸或两者的混合物。

由于采用以上方案，电解一开始，碳棒在气体产生的过程中进行剥离，同时会伴有一定程度的插层，即可得到含石墨烯的溶液，在所述的电压范围内，电压越大，反应速率越快；滤饼是在过滤过程中石墨烯团聚在一起的结构，在电解完成后，进一步洗涤滤饼，除去残留的杂质如Mn的氧化物。

优选地，在步骤（2）之后还包括如下步骤：将所述石墨烯滤饼分散在有机溶剂中在超声功率为10～300W下超声0.5～10小时，得到不大于五层的石墨烯溶液。

将团聚在一起的饼状的石墨烯在有机溶剂中分散成均匀的溶液，采用超声将其剥离得到层状结构。

优选地，在步骤（2）之后还包括如下步骤：将所述石墨烯滤饼在氩气或氮气的保护气氛下，以1～10℃/min升温速率、在温度200～800℃下热处理1～10小时，得到粉体石墨烯材料。

将石墨烯滤饼经过热处理得到粉体的石墨烯，测得其比表面积为300～1500m²/g。