[发明专利]一种高质量石墨烯材料的电化学制备方法

说明书

本发明涉及一种高质量石墨烯材料的电化学制备方法，其包括配制电解液，在电解液中配置石墨材料作为阳极，配置金属或石墨材料作为阴极，形成电化学剥离体系，电解液中包括气泡抑制剂，气泡抑制剂为氢氧化钠、一水合氨、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或几种；在阳极和阴极之间施加电压，控制电化学剥离体系分别在0～20℃的低温段和40～95℃的高温段保温，使得石墨阳极相继经历低温插层和高温剥离阶段，得到电化学剥离产物；收集电化学剥离产物，经洗涤和干燥得到高质量石墨烯粉体。根据本发明的电化学制备方法，工艺简单，反应条件温和，对设备要求低，易于实现，所涉及的电化学体系对环境友好，制备成本低，非常适合大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及纳米材料，更具体地涉及一种高质量石墨烯材料的电化学制备方法。

背景技术

石墨烯是发现最早、也是目前研究最多且发展最为成熟的二维纳米材料，具有高导热、高导电、优异的力学和光学等理化特性，在器件热管理、能源储存、高分子增强增韧和光电器件等领域具有明确的应用前景。然而，石墨烯作为一种新的材料在商业应用方面遇到了巨大挑战，目前仅在热管理和能源存储等几个领域获得真正应用，规模化可控制备技术是制约石墨烯材料应用的重要原因。制备石墨烯材料的方法非常多，但多数方法无法兼顾应用所需的高晶格质量和规模化制备所需的高效可控，譬如液相剥离法借助剪切或超声等机械外力剥离石墨而获得高质量石墨烯片层，制备过程和所需的设备都相对简单，但液相剥离石墨的效率非常低(一般不超过10％)，导致产物中存在大量石墨片层需要去除，显著增加了后处理难度和工艺成本，不适合规模化生产，因此液相剥离技术目前仍停留在实验室。

电化学法通过引发石墨层间发生电化学反应产生气体剥离石墨片层而直接制备高晶格质量的石墨烯片层，即高质量石墨烯。具有工艺过程简单、清洁无污染和成本低等特点，且剥离效率最高可达85％左右，明显优于液相剥离法，因此电化学剥离法是当前最有希望实现高质量石墨烯规模化可控制备的技术。譬如，CN111470499中提出通过精确控制交流电的参数，既可以实现石墨的插层和剥离，又可以避免电化学过程中石墨烯的氧化，实现高效制备高质量石墨烯。Xinliang Feng等人在J.Am.Chem.Soc.2015,137,43,13927–13932一文中提出了在硫酸盐体系施加电压引发石墨阳极的插层和剥离，实现了以75wt％的产率电化学制备高质量石墨烯的目的。Youlong Xu等人在Adv.Funct.Mater.2019；1902171:1–14中报道了以碳酸丙烯酯作为溶剂TBAClO₄作为溶质和插层剂进行电化学双电极剥离高产率制备高质量石墨烯的方法，将电化学制备高质量石墨烯的产率提高到了85％。这些方法在调控电化学剥离过程和提高高质量石墨烯产率方面提出了很多原创性方法，但产物中仍然存在15-25％的石墨片层需要去除，仍然不利于规模化制备。电化学剥离法要真正实现规模化可控制备高质量石墨烯，技术上首先需要在保证工艺简单可靠和产物晶格质量的前提下进一步提高电化学剥离效率，从而降低产物片层的平均层数，增加高质量石墨烯片层的产率。因此，亟待从电化学机理方面进行创新，发展简单高效的电化学策略提高石墨在电化学剥离过程中的剥离效率。

发明内容

为了解决上述现有技术中的电化学技术制备石墨烯材料存在的剥离效率低和石墨烯产率低等问题，本发明提供一种高质量石墨烯材料的电化学制备方法。

根据本发明的高质量石墨烯材料的电化学制备方法，其包括步骤：S1，配制电解液，在电解液中配置石墨材料作为阳极，配置金属或石墨材料作为阴极，形成电化学剥离体系，电解液中包括气泡抑制剂，所述气泡抑制剂为氢氧化钠、一水合氨、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或几种；S2，在阳极和阴极之间施加电压，控制电化学剥离体系分别在0～20℃的低温段和40～95℃的高温段保温，使得石墨阳极相继经历低温插层和高温剥离阶段，得到电化学剥离产物；S3，收集所述电化学剥离产物，经洗涤和干燥得到高质量石墨烯粉体。