[发明专利]一种制备石墨烯的电解还原法

说明书

本发明属于石墨烯制备方法，具体涉及一种制备石墨烯的电解还原法，步骤1，将氧化石墨烯颗粒放入蒸馏水中，加入分散剂超声分散，得到氧化石墨烯分散液；步骤2，将石墨烯分散液加入至密封反应釜中微波加压反应3‑5h，快速泄压后得到细颗粒石墨烯分散液；步骤3，将氯化钠加入至细颗粒石墨烯分散液，加入甲醇搅拌均匀后电解反应5‑8h，得到石墨烯分散液；步骤4，将石墨烯分散液超声分散1‑3h，然后密封加压反应1‑3h，快速泄压得到石墨烯混合沉淀；步骤5，将石墨烯混合沉淀放入无水乙醇中超声反应1‑3h，过滤后烘干得到石墨烯材料。本发明解决了现有电解还原法制备石墨烯的方法存在污染与安全的问题，制备方法简单易行，环保无污染。

技术领域

本发明属于石墨烯制备方法，具体涉及一种制备石墨烯的电解还原法。

背景技术

自从利用微机械剥离方法剥离获得高质量石墨烯以来，石墨烯所具有的独特导电导热以及机械性能一直吸引着科研界与产业界极大的兴趣。由于优异性能，石墨烯的市场需求也越来越大，这要求石墨烯材料的制备不断改善并能够实现绿色无污染的制备技术以获得大批量高质量的石墨烯。然而目前的制备面对产业化应用还存在很大的挑战。首先，可获得高质量石墨烯的化学气相沉积技术和外延生长法存在产率低、高能耗和转移困难等问题；另外，化学氧化还原法虽然可以实现大规模制备石墨烯，但存在大量含氧基团连接在石墨烯片层上，导致石墨烯的导电导热性能大幅度降低。而且，超声剥离法和液相剪切剥离法能够得到高质量的石墨烯材料，也不使用强酸或强氧化剂，并且没有金属离子，但所获得的石墨烯横向尺寸偏小，最重要的是产率很低，往往产率低于5％，且需要过滤分离，经济性差，总的性价比依然不高。

针对现有的石墨烯制备技术，要么高质量高成本，要么成本低质量差，石墨烯产业发展亟需一种可大规模生产、高质量、低成本且绿色无污染的制备技术，以突破石墨烯材料瓶颈。电化学制备石墨烯是可能的途径之一。相比于氧化还原法，电化学法不需要强氧化剂，取而代之的是电场氧化剥离；相比于化学气相沉积技术，电化学制备的产量远远大于气相沉积技术；相比于超声或液相剪切低于5％的产率，电化学法可以获得接近100％的产率。然而现有的电化学制备技术还不够或不足以用于大规模制备高质量的石墨烯材料。

在已经公开的电化学制备石墨烯的文献和专利中，所使用的电解液可以分为离子液体，强酸，以及一些盐溶液。其中，现有技术中存在使用离子液体作为电解液进行阴极插层剥离，可获得厚度为2～3层、含氧量为2.5％的石墨烯，但在使用离子液体作为电解液时，碰到的普遍问题是离子液体价格昂贵和复杂的阴阳离子杂质去除很困难等，因而难以产业化使用。现有技术中还存在一种类似离子液体电解液机理的技术，具体是通过高温加热氯化钾、氯化钠等盐，使其融化作为电解液，所得的石墨烯缺陷少，对设备要求低，但是高温条件能耗较高，所制得的产品中含有大量很难除净的离子如氯离子、钾离子和钠离子等，极大地影响石墨烯的使用。另外，现有技术中还存在使用大量硫酸和甘氨酸作为电解液，虽然剥离速度很快，5分钟内可以完成，并可获得厚度为2-5层的石墨烯，但同样存在难以完全除净的硫酸根和甘氨酸离子。此外，相对环保和简便的方法是采用一些盐溶液作为电解液，例如，现有技术中存在采用锂盐和碳酸丙烯酯制成溶剂化的电解液，使锂离子在电解过程中插入到石墨层间进行剥离获得石墨烯，但存在操作复杂、剥离后电解液和杂质离子的去除非常麻烦以及增加了产业化的成本的问题。另外，现有技术中还存在也使用了类似的电解液K2SO4盐溶液进行剥离，这种技术所需的电压较低，所需时间也较短，但是反应的产物会引入难以完全除净的金属离子，且硫酸根离子同样会部分氧化石墨烯片层，残余的硫酸根也比较难以除去。而且，现有技术中还存在采用硫酸铵作为电解液，这种方法获得的产率高达85％，反应时间短，但是这种方法也同样面临硫酸根离子无法除净的问题，同时硫酸根离子在电解过程中也会有SO2有毒气体产生，不够环保和安全。

发明内容