[发明专利]高纯度石墨烯及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种电解制备高纯度石墨烯的方法，包括：(1)以石墨薄片A作为正极，以铂电极作为负极，以硫酸盐溶液B作为电解液，在1～5V的直流电压下，保持0.3～3h；(2)将所述电解液替换为弱碱性电解液C，电压调节为5～30V，继续通电0.5～5h，得到沉淀D，其中所述弱碱性电解液是通过将所述硫酸盐溶液用硫酸四丁基氢铵调节pH值为8～14得到的；(3)将步骤(2)得到的沉淀D溶解于有机溶剂中，超声处理，得到溶液E；将溶液E离心，上层液用去离子水抽滤清洗，得到分离后的固体；(4)将步骤(3)分离后的固体干燥，得到高纯度石墨烯。所得石墨烯具有较低的氧化度、较少的层数和较大的尺寸。

技术领域

本发明是属于石墨烯制备领域，特别是关于一种高纯度石墨烯及其制备方法和用途。

背景技术

低成本规模化制备高纯度石墨烯是发挥石墨烯优异导电和导热特性、推动石墨烯应用于电热、传感和储能等领域必须解决的关键技术问题。以廉价石墨为原料通过石墨层间插层和剥离是制备高纯度石墨烯的最重要技术路线。对于该技术路线而言，高纯度是实现其各方面应用的前提，同时还应兼顾制备体系和过程的环保性及安全性。然而，开发同时具备高纯度、高产率、环境友好的制备策略仍然面临挑战，通过原理创新和工艺技术改进实现高纯度石墨烯的低成本规模化制备依然是石墨烯材料领域的重要研究课题。电解法制备石墨烯因为其快速，相对环境友好等特点而受到了广泛的关注。

有大量文献报道了通过电解制备石墨烯的方法，如：CN108675287A中提到，在液态熔盐中进行电化学阳极剥离能够获得石墨烯，需要温度达到一定条件；CN107628609A中采用膨胀石墨作为负极和阳极，采用酸性电解液，在负极和阳极之间施加双向交变脉冲电压，电解得到团聚状氧化石墨烯混合溶液；CN206108905U提到了一种利用石墨纸作为正极、酸性硫酸铵溶液作为电解液的一种连续制备石墨烯的方法，但氧化度未知。Parvez(ACS Nano2013,7,3598)等以酸性稀硫酸为电解液，得到了氧化度较高，层数较厚的氧化态石墨烯；Muratlu(Carbon,2012,50,142)等人用十二烷基硫酸钠作为电解液，制备出了厚度约为1.2nm的氧化态石墨烯；Song等人(Journal of Power Sources 2014,249,48～58)在中性条件使用了硝酸钾溶液为电解液并控制较低电位从而降低剥离石墨烯的层数。但是在较低的pH下，与在硫酸盐的剥离过程一致，硝酸盐也会产生较厚且氧化度较高的石墨纳米层；而Zeng等(Chem Sus Chem 2011,4,1587)在磷酸盐中通过电化学剥离，同样制备出了较高氧化度的氧化石墨烯。由此可见，电化学法剥离石墨烯对于电解液是十分依赖的，实际上在酸性条件下得到的石墨烯由于酸性条件的作用，导致剥离出的石墨烯氧化度也较高，如在此基础上要获得高纯度的本征石墨烯，还需要后续进一步的还原工艺。

目前尚未见到有报道在电解法工艺中，利用硫酸四丁基氢铵调控硫酸盐溶液pH值至碱性条件下制备高纯度的石墨烯的方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电解制备高纯度石墨烯的方法，其制备得到的石墨烯具有较低的氧化度、较少的层数和较大的尺寸。

为实现上述目的，本发明提供了一种电解制备高纯度石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)以石墨薄片A作为正极，以铂电极作为负极，以硫酸盐溶液B作为电解液，在1～5V的直流电压下，保持0.3～3h；

(2)将所述电解液替换为弱碱性电解液C，电压调节为5～30V，继续通电0.5～5h，得到沉淀D，其中所述弱碱性电解液是通过将所述硫酸盐溶液用硫酸四丁基氢铵调节pH值为8～14得到的；

(3)将步骤(2)得到的沉淀D溶解于有机溶剂中，超声处理，得到溶液E；将溶液E离心，上层液用去离子水抽滤清洗，得到分离后的固体；