一种电化学法制备石墨烯的一体化装置及方法与流程

本发明是属于石墨烯制备，特别是关于一种电化学法制备石墨烯的一体化装置及制备方法。

背景技术：

1、石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维(2d)六角型呈蜂巢晶格的平面单层，并且是所有其它维度石墨材料的基本构建模块。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在微纳加工、能源、生物医学等领域具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

2、电化学剥离石墨烯相较于其他制备方法具有绿色环保、安全、低成本等优点；规避了物理法和化学法制备石墨烯的缺点。特别的，在导电的溶液中，利用阴阳极的氧化还原反应，实现石墨层间的脱落和剥离，从而产生石墨烯，这就需要电化学装置需要具有良好的热传导功能。

3、现有技术所涉及的专利公开了相关电极装置，其中的离子交换支撑框架需要良好的绝缘、耐热材料，这进一步限制了体系的热量流动，大大降低体系的离子传导。另有现有技术公开了通过设计电解液薄液层实现阴阳极连接，以及石墨烯的氧化度控制，但是，此装置需要对电解液进行精准控制，同时在大规模制备中，氧化石墨烯的生产速度受限，影响石墨烯的产率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电化学法制备石墨烯的一体化装置及方法，其能够充分利用电解液和石墨原材料，实现电极-石墨材料电解体系的一体化，实现石墨烯的充分氧化和快速制备，提高了石墨烯的产率，生产周期短，工艺简单，适用于大规模生产。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

3、1)选取均匀尺寸的鳞片石墨进行压制成型，形成预压石墨纸；

4、2)配置预处理液和电解液；

5、3)按照第一预压石墨纸、功能性隔层、第二预压石墨纸的顺序堆叠形成三明治结构，将所述三明治结构放置于第一电极和第二电极之间，形成一体结构，并将所述一体结构进行绝缘紧固；

6、4)将所述一体结构放置于所述预处理液中，并在一定的预处理电压下进行预处理，然后，将经过预处理的所述一体结构放置于所述电解液中，并在一定的电解电压下进行电解，然后更换所述电解液，并在一定的剥离电压下完成石墨烯的剥离制备。

7、进一步地，还包括以下步骤：

8、5)收集产物并进行多次清洗，依次进行超声分散、离心分离和干燥，获得最终产物石墨烯粉体。

9、进一步地，在所述选取均匀尺寸的鳞片石墨进行压制成型，形成预压石墨纸的步骤中，将所述鳞片石墨与惰性金属粉体一起进行压制成型。

10、进一步地，所述惰性金属粉体为耐腐蚀的纯金属或合金粉体，所述惰性金属粉体的含量为40％-70％。

11、进一步地，所述预处理液为硫酸盐溶液、高氯酸盐、亚硫酸盐、高铁酸盐、磷酸盐、过硫酸盐、柠檬酸盐、过氧化物、高锰酸盐、重铬酸盐、三聚氰胺中的一种或多种混合溶液。

12、进一步地，所述电解液为碳酸盐、硫酸盐溶液、高氯酸盐、硝酸盐、亚硫酸盐、高铁酸盐、磷酸盐、过硫酸盐、柠檬酸盐、过氧化物、高锰酸盐、草酸盐、重铬酸盐、三聚氰胺中的一种或多种混合溶液。

13、进一步地，所述预处理电压为-3至3v，电解电压为-20至20v。

14、进一步地，所述剥离电压为正弦电压、阶梯电压、脉冲电压、直流电压、交流电压中的一种或多种；所述剥离电压的电压范围为10至30v。

15、本发明还提供一种电化学法制备石墨烯的一体化装置，用于执行上述任意一项石墨烯的制备方法，其特征在于，包括第一电极、第二电极、螺纹套、功能性隔层以及电解槽；其中，所述第一电极和第二电极分别连接电源的正极和负极，并通过所述螺纹套进行固定，所述功能性隔层设置于两层预压石墨纸之间。

16、进一步地，所述第一电极和所述第二电极均为多孔、惰性导电的合金材料，且所述第一电极和所述第二电极的端口处均设有螺纹。

17、进一步地，所述功能性隔层为多孔层和/或隔热层，所述功能性隔层用于完成离子传导，以及实现电源正负极的电子绝缘。

18、进一步地，所述功能性隔层为离子交换膜、隔膜、多孔聚酰亚胺、多孔聚四氟乙烯、多孔聚丙烯塑料板中的任意一种。

19、与现有技术相比，根据本发明的一种电化学法制备石墨烯的一体化装置及方法，通过按照所述预压石墨纸、功能性隔层、所述预压石墨纸的顺序堆叠形成三明治结构，将所述三明治结构放置于第一电极和第二电极之间，形成一体结构，实现电极-石墨材料电解体系的一体化，提高了电能和化学能转换的效率；在制备石墨纸的工艺中加入惰性金属粉末，增加石墨纸和电极的接触，实现石墨烯的完全剥离；通过施加双向电压，即施加预处理电压为-3至3v，电解电压为-20至20v、以及剥离电压为10至30v，实现石墨烯的充分氧化，提高了石墨烯的产率。

技术特征：

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，在所述选取均匀尺寸的鳞片石墨进行压制成型，形成预压石墨纸的步骤中，将所述鳞片石墨与惰性金属粉体一起进行压制成型。

4.根据权利要求3所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述惰性金属粉体为耐腐蚀的纯金属或合金粉体，所述惰性金属粉体的含量为40％-70％。

5.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述预处理液为硫酸盐溶液、高氯酸盐、亚硫酸盐、高铁酸盐、磷酸盐、过硫酸盐、柠檬酸盐、过氧化物、高锰酸盐、重铬酸盐、三聚氰胺中的一种或多种混合溶液；和/或，

6.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述预处理电压为-3至3v，电解电压为-20至20v；和/或，

7.一种电化学法制备石墨烯的一体化装置，用于执行权利要求1-6任意一项石墨烯粉体的制备方法，其特征在于，包括第一电极、第二电极、螺纹套、功能性隔层以及电解槽；其中，所述第一电极和第二电极分别连接电源的正极和负极，并通过所述螺纹套进行固定，所述功能性隔层设置于两层预压石墨纸之间。

8.根据权利要求7所述的电化学法制备石墨烯的一体化装置，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均为多孔、惰性导电的合金材料，且所述第一电极和所述第二电极的端口处均设有螺纹。

9.根据权利要求7所述的电化学法制备石墨烯的一体化装置，其特征在于，所述功能性隔层为多孔层和/或隔热层，所述功能性隔层用于完成离子传导，以及实现电源正负极的电子绝缘。

10.根据权利要求7所述的电化学法制备石墨烯的一体化装置，其特征在于，所述功能性隔层为离子交换膜、隔膜、多孔聚酰亚胺、多孔聚四氟乙烯、多孔聚丙烯塑料板中的任意一种。

技术总结
本发明公开了一种电化学法制备石墨烯的一体化装置及方法，属于石墨烯制备技术领域，制备方法包括以下步骤：1)选取均匀尺寸的鳞片石墨进行压制成型，形成预压石墨纸；2)配置预处理液和电解液；3)按照所述预压石墨纸、功能性隔层、所述预压石墨纸的顺序堆叠形成三明治结构，将所述三明治结构放置于第一电极和第二电极之间，形成一体结构，并通过绝缘螺纹固定所述一体结构；4)将所述一体结构依次进行预处理、电解，然后更换所述电解液，并在一定的剥离电压下完成石墨烯的剥离制备。本发明实现石墨烯的充分氧化和快速制备，提高了石墨烯的产率，生产周期短，适用于大规模生产。

技术研发人员：陈文苗,陈杰,徐文哲,李梦雨,徐春宇,钱有军,王凡,申保金,裴晓东
受保护的技术使用者：中钢集团南京新材料研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13