[发明专利]一种基于碱性电解液的石墨烯制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种通过电化学剥离、快速高效并且无污染地制备石墨烯的方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim教授和他的同事们通过机械剥离高定向热解石墨(HOPG)的方法首次制备得到了单层或少层石墨，即“石墨烯”，并获得了2010年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖委员会认为该发现的重要贡献主要表现在三个方面：1)首次制备出了单原子层二维材料“石墨烯”，推翻了二维单原子层晶体不可能在非绝对零度下稳定存在的论断；2)首次提出了观察石墨烯的方法；3)发现石墨烯具有异常量子霍尔效应等特殊的物理效应和性能，被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业的再次革命，以及是众多‘明星’材料中最接近应用的材料。此后，石墨烯优异的力学性质、热学性质、电学性质和光学性质等独特的物化性能也很快被发现，成为国际自然科学的研究热点之一。

一般认为，石墨烯的大规模、高质量、低成本和环保制备是制约其广泛应用的“瓶颈”。迄今为止，多种石墨烯的制备方法被相继报道出来，较为常见的方法有：机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法(CVD)、氧化还原法、电化学剥离法等。其中，通过机械剥离或外延生长得到的石墨烯具有较高的晶体质量，但是产率十分有限；CVD法是制备石墨烯薄膜的好方法，具有成膜质量高、面积大等特点，但合成温度高、基底要求苛刻、需要后续转移等缺点限制了该方法的进一步应用。基于Hummers、Brodie和Staudenmaier法的氧化还原法是目前普遍采用的一种可实现大规模低成本制备方法，但强酸和强氧化剂的引入会破坏石墨烯的本征结构，导致产物缺陷增多，性能大幅降低；另外，由于该方法大量使用强酸和强氧化剂，其在产业化制备中的环保问题常常受到政府法律法规的限制和制约，被认为是一种落后和淘汰的技术。

近来，电化学剥离法因其简单、快速、安全环保和能够大量制备等优势引起了极大地关注。该方法的原理是将高纯石墨(或石墨纸)电极作为阳极，在液相环境中对其进行电化学剥离得到石墨烯。但是目前较为常见的电解液体系仍然选用的是酸性溶液(如硫酸、磷酸等)，制备过程中会产生有毒有害气体，对环境造成污染。例如，中科院苏州纳米所的刘立伟等提出选用浓度为3-18mol/L的硫酸水溶液作为电解液，可以有效地剥离制备石墨烯。但硫酸本身属于一种强酸，且制备过程中会产生SO₂等气体，因此仍存在着一定的环保问题。华南理工大学的钟轶良等以磷酸氢二铵(NH₄)₂HPO₄作电解液，发现石墨阳极能够吸附磷酸根离子并发生电氧化膨胀剥离，但得到的产物团聚较严重，片层不均匀，特别是磷酸基溶液也存在环境污染问题。

因此，石墨烯的非酸(无酸或弱酸)制备是目前国际上的研发重点。如果能够将电解液改为碱性溶液体系，将彻底解决石墨烯制备过程中的环保问题，对于实现石墨烯的绿色工业化生产非常重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的环保问题，提出一种采用碱性溶液作为电解液，实现石墨烯绿色环保、快速、高效的电化学剥离制备方法。该方法具有耗时少、操作简单、对环境友好等特点，石墨烯产物纯净，片层较薄，结构完整，特别适于大规模产业化生产。

本发明采用的技术方案具体如下：

一种基于碱性电解液的石墨烯制备方法，包括以下步骤：以经轧制形成的碳含量≥99％的石墨电极作为阳极，以惰性金属电极作为阴极，将阴极和阳极以25-100mm的间距平行插入碱性电解液中，再施以1-10V的正向直流电压，通电0.5-5h，停止通电后收集溶液中的固体，然后对固体进行反复水洗和超声以去除杂质，再将其转移到60℃的烘箱中烘干10小时，得到纯净的石墨烯。

所述的碱性电解液为NaOH水溶液、KOH水溶液、氨水或它们中任何几种的混合液，所述的碱性电解液中电解质的浓度为1-10mol/L。

所述的石墨电极的形状为棒状、带状或片状。

所述的石墨电极为高纯石墨纸或高纯石墨棒。

所述的惰性金属电极为铜、银、铂、金、钛、铅或它们中的任何几种的合金。

一种石墨烯，由上述基于碱性电解液的石墨烯制备方法制备得到。

上述石墨烯在化工领域的应用。

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明制备的石墨烯，剥离效果明显，产物纯净，结构完整。