[发明专利]一种连续化制备氧化石墨烯微片的方法

说明书

本发明属于石墨烯制备领域，具体为一种基于电化学处理的连续化制备氧化石墨烯微片的方法。以柔性石墨卷材、带材或碳纤维线材等连续石墨产品为原料，在进料装置驱动下，依次经过电化学插层和电解氧化剥离两步处理，将其剥离成氧化石墨烯微片。电化学插层是在浓酸中，以石墨材料为阳极，在浸泡条件下通电，酸根离子在电场驱动下进入石墨层间，形成一阶或低阶插层的插层石墨连续材料；电解剥离是以插层后的连续石墨材料为阳极，在电解质水溶液中通电进行电解剥离，利用置换到层间的水的电解产生的氧对插层石墨进行氧化剥离，得到氧化石墨烯。该方法具备产品不含金属杂质，石墨烯氧化度可控，过程可连续化、自动化，以及安全、低排放等优点。

技术领域

本发明属于石墨烯制备领域，具体为一种基于电化学处理的连续化制备氧化石墨烯微片的方法。

背景技术

氧化石墨烯是石墨烯的一种重要功能化衍生物，是石墨烯应用中的关键材料。结构上，氧化石墨烯是在石墨烯二维碳平面上接枝有大量的含氧官能团，如羟基、环氧、羰基、羧基等。这些官能团的存在使的石墨烯的表面由惰性转化为亲水及其他极性溶剂的活性表面，大多数石墨烯的功能化处理都是以氧化石墨烯为起点的。因此，氧化石墨烯是石墨烯化学性质研究及应用的基础材料。在应用方面，因其易分散、易成膜、易功能化的特点，目前已广泛应用于力学增强聚合物基复合材料、离子过滤、高阻隔性薄膜、催化剂负载、药物输运与缓释、超级电容器等众多新技术领域。

目前，比较成熟的氧化石墨烯制备方法通常是在浓硫酸环境中，利用复合强氧化剂对石墨鳞片或粉体材料进行强氧化处理，得到氧化石墨进而剥离得到氧化石墨烯，其中最典型且目前仍被大量使用的是1958年提出的Hummers法，即利用发烟硫酸、硝酸钠和高锰酸钾构成的复合氧化剂处理石墨。该方法存在的问题包括：(1)反应放热量大，需要在低温条件下进行，(2)硫酸消耗量大，平均处理1kg石墨约消耗50kg浓硫酸，形成约5吨混合废酸溶液且无法回收，造成巨大环境污染的同时大大增加了制造成本，(3)产物引入重金属离子锰，限制了其在许多应用中的使用。中国发明专利申请(公开号：CN104310385A)公开了一种快速绿色制备单层氧化石墨烯的方法，即利用高铁酸盐作为氧化剂处理石墨，制备氧化石墨烯，可以在常温下快速实现石墨的氧化。该方法是目前较为公认的优于Hummers法制备氧化石墨烯的新方法(L.Peng et al..An iron-based green approach to 1-h productionof single-layer graphene oxide，《Nature Communications》,2015,第6卷第5716-5724页)，但同样存在耗酸量大和产物中引入金属杂质离子等问题。

电化学插层剥离石墨制备石墨烯及氧化石墨烯已经有很长的研究历史，这类方法是利用外接电源来提高石墨的电位，并使其带电；在电场的驱动作用下，处于溶液状态的电解质离子会进入到石墨层间，利用进入石墨层间物质的电化学反应来剥离石墨制备石墨烯。这类方法无需使用强化学氧化剂，且可通过电化学反应的电流或电压控制，调控石墨的剥离和氧化过程，因此被认为是一类相对绿色的石墨烯及氧化石墨烯制备方法。