一种氧化石墨高效分离纯化的方法
【专利摘要】一种氧化石墨高效分离纯化的方法是将合成出的氧化石墨原液通过分离除去清液，收集固体物料，在固体物料中加入混合有机溶剂配制成氧化石墨分散液，将分散液分离收集固体物料，用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到高纯氧化石墨。本发明具有分离效率高，能耗低、简单易行的优点。
【专利说明】一种氧化石墨高效分离纯化的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氧化石墨高效分离纯化的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯具有优异的力、热、光、电性能，在锂离子电池、超级电容器、催化和涂料等诸多领域有广泛的应用前景。石墨烯规模化可控制备是其商业化应用的前提与基础。目前，化学剥离法制备石墨烯具有原料易得、成本低廉、工艺成熟等优点，已作为石墨烯批量化生产的主要技术路线之一。
[0003]对于氧化插层剥离法制备石墨烯工艺路线，中间体氧化石墨的纯化是该工艺的限速环节，直接影响石墨烯产业化的生产效率及产品纯度。目前，氧化石墨的纯化工艺主要是用去离子水作为纯化溶剂，该工艺遇到的最大的瓶颈是随着氧化石墨水溶胶中H\ Na+、K+、Mn2+等离子浓度的降低，氧化石墨的溶胀现象更加严重，且其粘度剧烈增加，使得沉降、离心和过滤等纯化工艺的生产效率急剧下降，并且氧化石墨固液分离效果也严重降低。
[0004]研究人员针对上述问题对此水洗纯化工艺做了改进，专利CN102145887B提供了一种采用质量分数为5%~20%盐酸溶液洗涤后，再使用18mol/L的硫酸=H2O2质量比为:TlO:I的混合水溶液作为洗涤剂来纯化氧化石墨烯。专利CN103153854A提供了一种用碱溶液处理氧化石墨及杂质的 混合物的方法，使氧化石墨烯与碱化的杂质分离。该方法中所使用的碱为第I族的金属碳酸盐、碳酸氢盐、氢氧化物及金属醇盐等。CN103172056也提供了一种采用碱溶液处理氧化石墨分散液的方法。上述几种方法均在一定程度上提升了氧化石墨的固液分离效率，但纯化过程中会引入新的杂质离子，用纯化溶剂洗涤完成后需额外增加去离子水作为洗涤剂去除新引入的杂质离子的步骤，这会增加整个纯化过程的耗水量。另外，盐酸作为洗涤剂引入的氯离子对于不锈钢材质的纯化设备有腐蚀作用，碱溶液的加入对氧化石墨起到了还原作用，使得氧化石墨上的含氧官能团数量减少了，这将影响氧化石墨的化学活性及其在催化等方面的应用。
[0005]专利CN102626591A中提供了一种采用不同种单一有机溶剂作为纯化剂洗涤氧化石墨，该法在很大程度上解决了氧化石墨在水溶液中的溶胀问题，一定程度上提升了氧化石墨悬浮液的固液分离效率，但是其固液分离效率还是较低。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述几种纯化溶剂带来的不足之处，提供了一种固液分离效率高，能耗低、简单易行的氧化石墨高效分离纯化的方法。
[0007]本发明实现上述目的所采用的技术方案为:
1)将合成出的氧化石墨原液通过沉降、离心或过滤方式除去清液，收集固体物料；
2)向收集到的固体物料中加入混合有机溶剂，使其均匀分散，配制成氧化石墨浓度为1- 20g/L的分散液，将分散液用沉降、离心或过滤方式除去清液，收集固体物料；
3)重复步骤2，直至清液的pH值达到5.5 — 6.5 ;4)用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到闻纯氧化石墨；
其中，所用混合有机溶剂是由甲醇、乙醇、丙酮和二甲基甲酰胺组成，所含甲醇的体积比为0.5 — 98.5%，乙醇的体积比为0.5 — 98.5%，丙酮的体积比为0.5 — 98.5%，二甲基甲酰胺的体积比为0.5 — 98.5%。
[0008]本发明与目前所用的纯化洗涤的工艺相比，本发明使用的纯化剂为混合有机溶剂，溶剂分子极性小，与氧化石墨的分子间相互作用力较小，容易实现固液分离，且分离效率高。因此，解决了洗涤过程中氧化石墨的溶胀及其溶胶的粘度剧烈增加的问题，从而极大地改善了氧化石墨洗涤工艺中沉降时间长、离心分离效果差及过滤介质表面堵塞等诸多状况，该方法简单易行，能耗低、生产效率高，满足了批量化生产的需求。
【具体实施方式】[0009]下面结合实施例对本发明进行详细说明:
对比例
1、将5L合成出的氧化石墨原液通过沉降的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0010]2、向收集的氧化石墨固体物料中加入50L乙醇，配制成浓度为lg/L分散液。将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。
[0011]3、重复4次步骤2，清液的pH值达到5.0。
[0012]4、用减压蒸馏的方法将最终收集的固体浆料中的乙醇去除，得到氧化石墨的纯度为 99.2%ο
[0013]实施例1
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过离心的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0014]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入5L混合有机溶剂,配制成浓度为10mg/mL分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇50%，乙醇5%，丙酮40%，二甲基甲酰胺5%。
[0015]3.重复2步骤6次，直到清液的pH值达到5.6。
[0016]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.45%。
[0017]实施例2
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过过滤的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0018]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入2.5L混合有机溶剂，配制成浓度为20g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇5%，乙醇94%，丙酮0.5%，二甲基甲酰胺0.5%。
[0019]3.重复2步骤8次，直到清液的pH值达到5.5。
[0020]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.37%。
[0021]实施例3
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过离心的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0022]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入3L混合有机溶剂，配制成浓度为16.7g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇0.5%，乙醇10%，丙酮4.5%，二甲基甲酰胺85%。
[0023]3.重复2步骤7次，直到清液的pH值达到5.7。
[0024]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.52%。
[0025]实施例4
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过过滤的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0026]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入IOL混合有机溶剂，配制成浓度为5g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇5%，乙醇80%，丙酮5%，二甲基甲酰胺10%。
[0027]3.重复2步骤5次，直到清液的pH值达到5.8。
[0028]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.64%。
[0029]实施例5
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过沉降的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0030]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入20L混合有机溶剂，配制成浓度为2.5g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇98.5%，乙醇0.5%，丙酮0.5%，二甲基甲酰胺0.5%。
[0031]3.重复2步骤4次，直到清液的pH值达到5.9。
[0032]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.71%。
[0033]实施例6
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过离心的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0034]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入20L混合有机溶剂，配制成浓度为2.5g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇0.5%，乙醇98.5%，丙酮0.5%，二甲基甲酰胺0.5%。
[0035]3.重复2步骤4次，直到清液的pH值达到5.9。
[0036]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.72%。
[0037]实施例7
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过过滤的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0038]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入25L混合有机溶剂，配制成浓度为2g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇0.5%,乙醇0.5%,丙酮98.5%，二甲基甲酰胺0.5%ο
[0039]3.重复2步骤4次，直到清液的pH值达到6。
[0040]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.95%。
[0041]实施例8
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过离心方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。[0042]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入12.5L混合有机溶剂，配制成浓度为4g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇0.5%，乙醇0.5%，丙酮0.5%，二甲基甲酰胺98.5%。
[0043]3.重复2步骤6次，直到清液的pH值达到5.8。
[0044]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.65%。
[0045]实施例9
1.将5L合成出的氧化石墨原液通过过滤的方式除去清液，收集氧化石墨固体物料。
[0046]2.将收集的氧化石墨固体物料中加入4L混合有机溶剂，配制成浓度为12.5g/L分散液，将均匀分散液用离心的方式除去清液收集固体物料。所用的混合有机溶剂的体积配比为甲醇0.5%，乙醇9.5%，丙酮80%，二甲基甲酰胺10%。
[0047]3.重复2步骤8次，直到清液的pH值达到5.5。 [0048]4.用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到氧化石墨的纯度为99.40%。
【权利要求】
1.一种氧化石墨高效分离纯化的方法，其特征在于包括如下步骤: 1)将合成出的氧化石墨原液通过沉降、离心或过滤方式除去清液，收集固体物料； 2)向收集到的固体物料中加入混合有机溶剂，使其均匀分散，配制成氧化石墨浓度为1- 20g/L的分散液，将分散液用沉降、离心或过滤方式除去清液，收集固体物料； 3)重复步骤2，直至清液的pH值达到5.5 — 6.5 ; 4)用减压蒸馏或者冷冻干燥的方法将最终收集的固体浆料中的混合有机溶剂去除，得到闻纯氧化石墨； 其中，所用混合有机溶剂是由甲醇、乙醇、丙酮和二甲基甲酰胺组成，所含甲醇的体积比为0.5 — 98.5%，乙醇的体积比为0.5 — 98.5%，丙酮的体积比为0.5 — 98.5%，二甲基甲酰胺的体积比为0.5 — 98.5%。
【文档编号】C01B31/04GK103950921SQ201410164165
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】陈成猛, 贾蓉蓉, 王大力, 孔庆强, 蔡榕, 王炜, 苏小威, 李元智 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所, 山西煤炭运销集团有限公司