[发明专利]电化学制备氧化石墨烯的方法及装置

说明书

电化学制备氧化石墨烯的方法及装置，通过在阴极(5)的表面引入连续流动的电解质溶液(11)形成薄液层，然后将阳极(4)的一端插入之后与阴极(5)形成一定的间隙进行电解制备氧化石墨烯。制备方法具有更高的氧化膨胀解离和切割能力，可以实现产物的粒径小、层数低、粒径尺寸分布和氧化深度可控。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及电化学制备氧化石墨烯的方法及装置。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的二维(2D)六角型呈蜂巢晶格的平面单层，并且是所有其它维度石墨材料的基本构建模块。它可以被包装成零维(0D)的富勒烯，卷成一维(1D)的纳米管或堆叠成三维(3D)的石墨。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，如同石墨烯一样具有单原子层厚度，只是在碳基面和/或边缘含有大量的其它杂原子官能团。按照碳基面的二维尺寸大小可以分为：1-100nm为氧化石墨烯量子点，大于100nm为氧化石墨烯微片。当厚度为2-10个单原子层厚度时，称为少层氧化石墨烯量子点或微片。当厚度为11-100个单原子层厚度时，又称为多层氧化石墨烯量子点或微片。这里为陈述方便，如无特别说明，统一将它们称为氧化石墨烯。

氧化石墨烯可以工业化生产的方法为化学氧化法。该方法主要是利用石墨本身存在的结构缺陷，以石墨为原料，在强酸、强氧化剂、加热的条件下得到层间距比石墨显著扩大的氧化石墨，随后借助有效的剥离手段即可得到单原子层的氧化石墨烯。目前，国内外很多公司都已发布能够量产公斤级、吨级的氧化石墨烯微片产品。这些量产技术一般要采用强酸、强氧化剂的化学法处理膨胀石墨，目的是实现石墨的氧化膨胀，差异是在该过程的实施方式和阶段或与其它技术的复合，是Brodie、Staudenmaier及Hummers等化学法的改良技术。大量使用强酸、强氧化剂等化学品，高污染，产品的品质差，层数和片径尺度分布范围过宽、过大，分散性及稳定性均比较差，直接导致应用时的可控性差。另外，常规的电化学剥离方法也被采用，然而其存在工作电流密度小和电流分布不均匀的问题，导致加工处理耗时长，产物纯度和质量低，层数和粒径分布范围宽，后期需要繁琐的纯化步骤，产品产率不高。

石墨烯量子点(包括氧化石墨烯量子点)主要是采用自上而下的制备方法，其是指通过物理或化学方法将大尺寸的石墨烯薄片切割成小尺寸的石墨烯量子点。CN102660270A公开了一种溶剂热法制备荧光石墨烯量子点的方法，该方法首先制备氧化石墨烯，然后利用溶剂热把氧化石墨烯切割成量子点；CN102616774A公开了一种制备石墨烯量子点的方法，该方法是在水热切割过程加入胺类钝化剂；这两种方法的缺点是高热、高能、产量低。2012年Chem.Eur.J.的Electrochemical preparation of luminescent graphenequantum dots from multiwalled carbon nanotubes和J.Mater.Chem.的Facilesynthesis of water-soluble，highly fluorescent graphene quantum dots as arobust biological label for stem cells的研究中，采用电化学剥离制备水溶性较好的石墨烯量子点，但原材料石墨的前期处理工作耗时长，后期纯化步骤耗时也较长，产品产率不高。此外，以微晶碳材料为碳源的制备方法也被采用：2012年Nano Letter发表的Graphene quantum dots derived from carbon fibers中，采用碳纤维为碳源，通过酸处理将纤维中堆垛的石墨剥离，仅一步就能制得大量不同粒径分布的石墨烯量子点，该法优势在于步骤简单和原料便宜，但缺点是制备过程要使用大量的硫酸和硝酸，耗时长，污染严重，而且粒径分布范围很宽，需要后续的透析分离处理得到更小的粒度，导致有效的制备产率低。