石墨烯及其制备方法与应用与流程

文档序号：16857086发布日期：2019-02-12 23:27阅读：154来源：国知局

本发明涉及石墨烯材料技术领域，具体涉及石墨烯及其制备方法与应用。

背景技术：

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈.k.海姆(andrek.geim)等发现的一种二维碳原子晶体，并获得2010年物理诺贝尔奖，再次引发碳材料研究热潮。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。

石墨烯拥有优良的物理、化学性质，具有高透光性和导电性、高比表面积、高强度及柔初性等优异的性能，可望在高性能纳电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域获得广泛应用。

目前石墨烯的制备方法主要是氧化石墨还原法，这种方法会造成石墨烯结构的破坏，而且使用有毒有污染的化学试剂，会对环境造成不良的影响，不利于环境保护。另外也有使用高温分解碳源来制备石墨烯的方法，这种方法产量低、成本较高，不适用于大批量生产。也有采用电化学方法来制备石墨烯的方法，但是得到的石墨烯的官能团化、功能化程度不高。

技术实现要素：

基于此，本发明有必要提供一种的官能团化程度高，功能较多的石墨烯质量较高的石墨烯的制备方法。

本发明还提供一种石墨烯。

本发明还提供一种石墨烯的应用。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

以离子液体作为电解液，插入石墨电极作为阳极和金属电极或非金属电极作为阴极；

在所述阴极和所述阳极之间施加0.5v-10v的电压或密度为1ma/cm²-100ma/cm²的电流，电化学反应预设时间，得到反应产物；

将所述反应产物进行后处理，得到薄层石墨烯。

上述的石墨烯的制备方法，采用离子液作为电解液，加上阳极、阴极并通电后，发生电化学反应，制成薄层石墨烯，该石墨烯的质量较高，根据不同的离子液可以得到多种官能团的石墨烯，不同官能团的石墨烯具有不同功能，可以应用于多种场合。

其中一些实施例中，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2，3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1，2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1，2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐及1，2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的一种或几种。

其中一些实施例中，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐。

其中一些实施例中，所述电化学反应的时间为0.5h-5h。

其中一些实施例中，所述石墨电极由膨胀石墨压制形成。

其中一些实施例中，所述石墨电极的形状为棒状、带状或片状。

其中一些实施例中，所述金属电极为铜电极、银电极、铂电极、金电极、钛电极或铅电极，所述非金属电极为碳电极、甘汞电极或氢电极。

其中一些实施例中，所述反应产物的后处理方法为：对所述反应产物进行水洗、过滤、超声及烘干中的一种或几种。

本发明还提供一种石墨烯，由所述的石墨烯的制备方法制成。

本发明还提供一种所述的石墨烯在电池中的应用。

附图说明

图1是本发明一实施例所述石墨烯的sem表征的结构图；

图2是本发明的对比例所述石墨烯的sem表征的结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明提供一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

以离子液体作为电解液，插入石墨电极作为阳极和金属电极或非金属电极作为阴极；

在阴极和阳极之间施加1v-10v的电压或密度为1ma/cm²-100ma/cm²的电流，电化学反应预设时间，得到反应产物；

将反应产物进行后处理，得到薄层石墨烯。

其中的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2，3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1，2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1，2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐及1，2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的一种或几种。可以选取单一的离子液体，也可以选取多种离子液体配合在一起，选取不同的离子液，其提供的离子不同，离子液在电解的作用下形成电解离子。采用上述的离子液，相对于通常的碱液电解液，其电解的离子对石墨材料的剥离力度更强，使得石墨材料能够更完全地剥离成为薄层的石墨烯。石墨烯的官能团主要有羧基、羟基、羰基、环氧基以及一些过氧化物，根据离子液的不同，可以可控制备得到不同功能化的石墨烯。例如：含氧官能团如羰基、环氧以及过氧化物等使石墨烯具强氧化性，可充当氧化剂参与氧化反应；石墨烯材料中的二酮-二醇氧化还原对近年来被广泛用于气相的氧化脱氢反应，其中最为重要的工业应用之一是乙基苯脱氢生成苯乙烯；石墨烯中的羧酸酸性官能团使得石墨烯具备酸性，可作为固体酸催化剂应用于酸催化有机反应以及生物燃料升级；石墨烯的缺陷边缘可以容纳酸、羰基、单电子自由基及卤族元素等一系列独特的官能团，具有巨大的催化应用潜能；石墨烯的二维平台还可以经非共价键或共价键修饰,得到石墨烯复合材料,可作为协同催化剂应用于绿色催化反应。

上述的电化学反应的时间为0.5h-5h，例如反应0.5h、1h、1.5h、3h、4h及5h，反应时间以反应完成为止。

其中的石墨电极优选为由膨胀石墨压制形成，其在电解的效果下其剥离的效果更好，更易生成薄层石墨烯。

石墨电极的形状为棒状、带状或片状，石墨的形状对石墨烯的生成影响较小。优选为采用片状的石墨，其剥离效果较好。

金属电极为铜电极、银电极、铂电极、金电极、钛电极或铅电极，非金属电极为碳电极、甘汞电极或氢电极。

反应产物的后处理方法为：对反应产物进行水洗、过滤及超声中的一种或几种，通过水洗可以洗去在反应过程中石墨烯附着的杂物、过滤可以减少石墨烯中的杂物，采用超声的方法基本可以除去石墨烯中的杂物，得到纯净的石墨烯材料。

反应产物后处理完成后，可以通过扫描电子显微镜(sem)对石墨烯的结构进行表征，观察石墨烯的层数。

本发明还提供一种石墨烯，由上述的石墨烯的制备方法制成。

本发明还提供一种上述的石墨烯在电池中的应用，即该石墨烯采用主要应用于电池领域，制作成锂电池的电极。

当然，上述的石墨烯，还可以应用于高性能纳电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储灯领域，不限于应用于电池。

以下将采用几个实施例来进一步说明本发明的实施方式。

实施例一

本发明提供一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：采用1-乙基-3-甲基咪唑溴盐作为离子液，以200mm*200mm的石墨纸(含碳量99％)制作成的电极作为阳极，以2mm*2mm的铂片作为阴极，上述的阳极和阴极以70mm的间隙插入到上述的离子液中，在阳极和阴极之间施加5v的电压，石墨纸在电解离子和电场的作用下，片层结构打开，逐渐裂解成为薄层石墨烯，反应1.5h后反应完成，收集液体中的反应产物，先进行水洗，过滤后进行超声处理，最后置于55℃环境中烘干，得到含溴的薄层石墨烯粉末。

将上述实施例得到的石墨烯粉末置于扫描电子显微镜中进行sem表征，石墨烯的形貌图参照图1，其具有典型的石墨烯的形貌。

实施例二

本发明提供一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：采用1-乙基-3-甲基咪唑氯盐作为离子液，以高纯石墨条(含碳量99％)制作成的电极作为阳极，以2mm*2mm的铂片作为阴极，上述的阳极和阴极以70mm的间隙插入到上述的离子液中，在阳极和阴极之间施加5v的电压，石墨纸在电解离子和电场的作用下，片层结构打开，逐渐裂解成为薄层石墨烯，反应2h后反应完成，收集液体中的反应产物，先进行水洗，过滤后进行超声处理，最后置于55℃环境中烘干，得到含氯的薄层石墨烯粉末。