[发明专利]电化学制备石墨烯粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，特别是一种利用电化学制备石墨烯的方法。

技术背景

石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯材料还兼有石墨和碳纳米管材料的一些优良性质，例如高热导性和高机械强度，用石墨烯制备的纳米复合材料也表现出许多优异的性能。可以预见石墨烯在材料领域中将有着广泛的应用。石墨烯更为奇特之处是它具有独特的电子结构和电学性质。例如，在4K以下的反常量子霍尔效应、室温下的量子霍尔效应、双极性电场效应。特别是电子的高迁移率使得石墨烯可以用于弹道输运晶体管，并且已经用它制造出晶体管原型器件，显示这种材料有可能取代Si基材料，为发展超高速计算机芯片带来突破。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。此外，石墨烯还具有良好的生物相容性。因此，石墨烯的电催化性能及其在生物传感中的应用也受到强烈关注。

研究如何制备较大量具有结构稳定、形貌可控的石墨烯，是系统研究这种新型碳基材料的物化性质及其应用的基础。近年来，很多学者都在致力于探索单层或多层石墨烯的制备方法，目前已知的石墨烯的制备方法主要包括：机械剥离法、氧化石墨还原法、外延生长法、化学气相沉积法。近来，电化学家将电化学方法引入石墨烯的制备当中，并取得了良好效果。通过恒电位电化学还原法，Guo等首次在玻碳电极上直接对氧化石墨烯进行电化学还原，制得石墨烯产物，建立了绿色、快速的制备石墨烯的方法。Guo H L，Wang X F，Qian Q Y，Wang F B，Xia X H.ACS Nano，2009，3(9)：2653～2659。Wang等利用循环伏安法，将固载到玻碳电极表面的氧化石墨烯还原为石墨烯，Wang Z J，Zhou X Z，Zhang J，Boey F，Zhang H.J.Phy.Chem.C，2009，113(32)：14071～14075。中国专利公开号CN101634032A公开了在一恒定电压下电解还原氧化态石墨烯溶液在阴极表面得到高质量石墨烯，或者将氧化石墨烯溶液滴涂在阴极材料表面也可还原得到石墨烯。

上述现有技术都是采用电化学方法制备石墨烯，由于没有使用其它还原剂，制备得到的产物未被杂质污染、具有比化学还原法更高的纯度。但上述方法中都是以氧化石墨烯为前驱体，再通过电化学还原制备石墨烯。整个制备氧过程比较繁琐复杂，耗时过长，其制备条件比较苛刻，制备难度大，对设备要求高，成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种电化学制备石墨烯粉体的方法，要解决的技术问题是生产过程中减少对环境造成的污染，降低制造成本。

本发明采用以下技术方案：一种电化学制备石墨烯粉体的方法，包括以下步骤：一、电解槽正极采用导电石墨，负极用惰性圆柱电极，正极和负极间距在1-10cm，电解液为水系电解液或非水系的电解液，在正极与负极之间上施加一个0.1-2.5V的电压1-10min；所述导电石墨为天然鳞片石墨，天然改性石墨，人造石墨，膨胀石墨，高取向热解石墨中的一种以上，其颗粒大小在5-20μm，片状片大小分布在1-5cm²，含碳量为99.5％以上；所述水系电解液为稀HCl，HSO₄，HNO₃或可溶性锂盐中的一种以上，浓度在20-50mg/mL，pH值0.50-10.00；所述非水系的电解液为含有碳酸丙烯酯的电解液，其质量含量大于30％，或咪唑、吡啶、吡咯类离子液体；二、将正极与负极之间施加10-25V的直流电压，时间为1-30s；三、过滤用去离子水洗涤并干燥至含水量为500ppm以下，然后按每100mg与50-500mL有机溶剂，分散在有机溶剂中，超声振荡得到悬浊液，频率5-30KHz，功率密度100-1000w，时间3-10min，然后将悬浊液在1000-3000rpm下离心处理1-10min，收集上层含有石墨烯的清液，干燥得到石墨烯；所述有机溶剂是N，N’-二甲基甲酰胺，二甲基亚砜，四氢呋喃，异丙醇，N-甲基吡咯烷酮，丁酮，乙腈，二氯甲烷，氯仿、二苯醚和二氯丙烷中的一种以上。

本发明的在正极与负极之间上施加0.1-2.5V电压后，将正极与负极之间直流电压升到2.5-10V，持续时间为0.5-5min。

本发明的将正极与负极之间施加10-25V的直流电压，时间为1-10s，然后将正极与负极之间施加-25--10V的直流电压。