[发明专利]一种一步法电化学制备钴单质-石墨烯插层化合物的方法

说明书

本发明公开了一种一步法电化学制备钴单质‑石墨烯插层化合物的方法。该方法采用阳极电化学剥离法，首先将六硝基合钴阴离子插入石墨层后发生电化学反应，使得剥落的石墨颗粒悬浮在电解液中并逐渐迁移到阴极发生还原反应，最终将层内的钴离子还原成钴单质。相对于现有技术中的高电压激发等离子体的剥离方式，本发明采用双石墨片替代了贵金属极片，而且使用水系电解液，避免了有机溶剂和离子液体等昂贵的具有污染性的溶液的使用。本发明的酸性环境的电解液可以保持六硝基合钴酸钠阴离子稳定性；阴离子表明活性剂可以增强阴离子润湿性和分散性。本发明剥离条件温和、设备要求低、能耗低、操作简单、剥离时间短，符合绿色化学合成路线。

技术领域：

本发明属于碳复合材料制备技术领域，具体涉及一种一步法电化学制备钴单质-石墨烯插层化合物(Co-GIC)的方法。

背景技术：

随着能源问题和环境污染问题日益尖锐，人们在制备材料时更加追求廉价、绿色环保的合成路线。并且石墨烯插层化合物在催化剂、磁性材料、导电材料、二次电池等领域具有巨大的潜在应用价值，其短板在于如何制备。因而钴单质-石墨烯插层化合物(Co-GIC)的制备方法引起了人们广泛关注。

目前Co-GIC的制备方法主要是共还原方法制备，这就需要先用Hummer法制备氧化石墨烯(GO)，这是为了在其表面引入更多的羧基、羟基等含氧官能团以便和后加入的正钴盐进行离子交换，最后用还原剂或者高温还原进行共还原。这样制备的材料很容易在石墨烯边缘聚集大量钴颗粒，并且这制备过程较为复杂，危险系数高，耗时耗能。因而一种全新的更加经济、快速、绿色制备方法尤为重要。

发明内容：

本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种一步法电化学制备钴单质-石墨烯插层化合物的方法。

所述的一步法电化学制备钴单质-石墨烯插层化合物的方法为：

(1)将六硝基合钴酸钠、弱酸、阴离子表面活性剂加入去离子水中配制成电解液；

(2)将成对的连接直流电源的石墨片一对或多对，相对垂直浸入电解液中，采用直流电源恒电流剥离2-4h，剥离时增加冰浴，冰浴时间不低于剥离时间的三分之二；

(3)将反应后的悬浮液用去离子水真空抽滤并洗涤；清洗后产品分散于DMF中水浴超声；超声后静置，用离心机离心，取下层产物冷冻干燥后即得钴单质-石墨烯插层化合物。

所述的步骤(3)得到的钴单质-石墨烯插层化合物在无氧气氛中500-600℃煅烧2-6h。以提高石墨烯质量和钴颗粒的精细度。

所述电解液中六硝基合钴酸钠的浓度为0.01-0.05mol/L。

所述弱酸为乙酸、硼酸、柠檬酸、亚硝酸中的一种或几种；所述弱酸常温下为液体时，其添加量为电解液体积的8-12％；所述弱酸常温下为固体时，其添加量为20-40g/L。

所述阴离子表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基硫酸钠、十八烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸铵、十二烷基苯磺酸铵、十二烷基硫酸铵、十六烷基硫酸铵、十八烷基硫酸铵、二辛基琥珀酸磺酸铵中的一种或几种；阴离子表面活性剂添加量为0.05-0.5g/L。

所述石墨片的厚度为0.1-2mm，每对连接直流电源的两石墨片的间距为2-4cm。

所述恒电流为0.5-0.7A。

所述步骤(3)剥离完成后的阴极石墨片可以重复使用。

所述静置不低于12h，离心机3000-5000rpm离心20-40min。