[发明专利]一种利用熔融碳酸盐一步电解制备石墨烯微片的方法

说明书

本发明公开了一种利用熔融碳酸盐一步电解制备石墨烯微片的方法，包括如下步骤：第一步，石墨粉压片；第二步，三元碳酸盐电解质；第三步，高温电解插层剥离；第四步，产品清洗分离；第五步，低温干燥。本发明属于石墨烯制备领域，具体是提供了一种简单易操作、成本低、适合工业大规模使用的基于熔融碳酸盐为电解质的电化学一步制备石墨烯微片的方法。

技术领域

本发明属于石墨烯制备领域，具体是指一种利用熔融碳酸盐一步电解制备石墨烯微片的方法。

背景技术

石墨烯及其衍生材料具有特殊的物理和化学性能，在高科技领域有广阔的应用前景，是当今先进材料的代表，特别是氧化石墨烯，由于分子结构中含有大量的含氧功能基团，如羟基，羧基，环氧基等，从而易于和其他材料化学嫁接，形成多功能材料。另外石墨烯也可以通过高温下掺杂其他元素如硫，氮，磷等，达到改性的目的，使其具有一定的化学物理性能。

当前，石墨烯材料制备主要采用传统Hummers方法，即先用浓硫酸进行插层，再用硝酸和高锰酸钾对石墨进行氧化，造成石墨层剥离，形成氧化石墨烯，形成氧化石墨烯后可以通过化学还原方法去掉含氧基团，最后转化成石墨烯。虽然后续有很多的改进Hummers法，但是总体来说该方法有很多的缺点，难以满足工业化生产。主要缺点包括：1)大量使用强酸强氧化剂，无法回收，造成严重环境污染；2)过程时间长，多部清洗杂质过程，能效低；3)产物含有金属离子，影响产品性能；4)强氧化过程破坏了石墨烯结构，降低了物理化学性能。

近年来，科学家开发了很多石墨烯材料制备的其他方法，比如：机械剥离法、超声破碎法、化学电解法和人工合成法，其中化学电解法操作简单，可以通过调控电压和电流，选择合适的电解质和电解条件，达到石墨剥离和氧化的目的，而在已经报道的文献和专利中，一般以水溶液作为电解质，通过离子插层和电化学氧化，使石墨烯层脱离，但是同时这个方法也不可避免带来水的分解反应，造成石墨表层在剥离前脱落，影响石墨烯产品质量和生产效率。

发明内容

为解决上述现有难题，本发明提供了一种操作简单、成本低、适合工业大规模使用的基于以熔融碳酸盐为电解质，在实现高效插层和剥离的同时、无气体生成反应，克服了现有石墨烯制备技术过程长、排污大、成本高的缺点，保证石墨剥离高效率，提高石墨烯产能和产品质量且降低生产成本，可一步电解制备1-5层石墨烯微片的方法。

本发明采取的技术方案如下：一种利用熔融碳酸盐一步电解制备石墨烯微片的方法，包括如下步骤：

(1)石墨粉压片

先将石墨粉(纯度>99.9％，粒度50-300目)用压片摸具压制成石墨圆片(压强30-50MPa，保压5-10分钟)，直径5-10厘米，厚度10-20毫米。单面涂导电胶，连接银导线作为电极；

(2)三元碳酸盐电解质

将三种碱金属碳酸盐按比例(Li；Na；K＝12；25；67，摩尔比)混合，采用球磨方式混合研磨2小时，再在500-600℃下2小时变熔融状，自然冷却，再研磨破碎成粉，作为三元的熔融碳酸盐电解质备用，此三元碳酸盐的理论熔点是398℃；

(3)高温电解插层剥离

取500-1500毫升的陶瓷坩埚，将石墨圆片埋在三元碳酸盐中，放置于450℃的实验电炉中，待碳酸盐熔融，插入银片作为负极，接到可程序精密直流电源，调整电流电压5.0-20.0V，达到石墨片正极微氧化和插层剥离，生成石墨烯微片；三元碳酸盐成熔融状态，石墨片电极在上，下面是银电极，碳酸盐离子在电场作用下进入石墨层，产生膨胀插层，在有氧条件下，石墨表面被部分氧化、带负电，产生剥离现象；

(4)产品清洗分离