一種電化學還原氧化石墨烯以制備石墨烯的方法技術

本發明專利技術屬于納米材料技術領域，具體為一種電化學還原氧化石墨烯以制備石墨烯的方法。其步驟包括：將氧化石墨溶于去離子水中，通過超聲剝離得到氧化石墨烯溶液；清洗電極和玻璃容器；取氧化石墨烯溶液加入玻璃容器中；用銅導線一端連接陰、陽極電極材料，然后把電極放入氧化石墨烯溶液中，銅導線的另一端分別與直流穩壓電源的正、負極連接；接通電源，控制電壓為10~50V；控制溫度為25~90oC；電化學還原時間為1-60min實驗，即制得石墨烯。本發明專利技術制得的石墨烯高質量，還具有操作簡便、成本低廉、安全無污染、效率高效等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于納米材料
，具體涉及電化學還原氧化石墨烯制備石墨烯的方法。
技術介紹
石墨烯是一種新型的二維納米材料，其獨特的性能及其在電容器、細胞圖像、傳感器、設備、藥物輸送和太陽能電池等方面的應用潛力而引起廣泛興趣。現有的石墨烯制備方法包括機械剝離法、外延生長法和化學還原法。這些方法中，機械剝離法的產率非常低；外延生長法得到的石墨烯的厚度不均，因此其應用有限；化學還原法一般用水合胼等強還原劑，雖然其成本較低，但是水合胼劇毒、不易清除，會造成人身傷害、環境污染和設備損壞。 最近，為了更好地還原氧化石墨烯，制備石墨烯，研究者提出了幾種其它的制備石墨烯的方法，如熱還原法和光催化還原法。但是這些方法帶來了一些新的問題，熱還原法即通過在惰性氣體中快速加熱氧化石墨烯到1100 ° C，可有效還原氧化石墨烯，但是這種方法需要高溫條件，對設備和環境的要求較高；光催化還原法即通過紫外光照射來還原氧化石墨烯，但是得到的石墨烯片的厚度較厚，這將限制其性能和應用。針對上述這些問題，本專利技術結合電化學還原基本原理和綠色化學理念，提出一種簡單、方便、可行的電化學還原方法，測試結果證明這種方法制得的石墨烯的各方面性能都很優異，而且可實現石墨烯批量化制備。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種操作簡單、效率高，適合于規模化生產的制備石墨烯的方法。本專利技術提供的石墨烯制備方法，是通過電化學還原氧化石墨烯得到石墨烯。它將電化學還原的原理和石墨烯優異的電學性能有效地結合起來，克服了其它制備方法存在的缺陷，不僅有效實現了氧化石墨烯的電化學還原，得到了高質量的石墨烯，還具有操作簡便、成本低廉、安全無污染、效率高效等優點。本專利技術方法涉及的裝置見圖1所示，包括直流穩壓電源(DC regulated power supply) 1,陰極電極材料2，陽極電極材料3，玻璃容器4 (容器中盛放氧化石墨烯溶液(溶膠))。本專利技術提出的氧化石墨烯電化學還原方法的步驟如下1、首先將氧化石墨溶于去離子水中，通過超聲剝離得到氧化石墨烯溶液；氧化石墨烯溶液的濃度是0. 5^10 mg/ml ；2、清洗電極和玻璃容器，即用自來水充分清洗作為陰、陽兩極的電極材料以及玻璃容器，然后將它們分別放入乙醇溶液中，通過超聲充分清洗，超聲時間為1(T30 min ；最后用去離子水清洗干凈；3、取適量上述氧化石墨烯溶液，加入玻璃容器中；4、用銅導線帶有夾子的一端分別連接陰、陽極電極材料，然后把電極放入上述氧化石墨烯溶液中固定好，銅導線的另一端分別與直流穩壓電源的正、負極相連接；5、接通電源，控制電壓為1(T50V ；控制溫度為25 90°C ；電化學還原時間為1_60 min實驗，即制得高質量的石墨烯。本專利技術中，所述氧化石墨的粒徑為25 140 ym； 本專利技術中，所述玻璃容器的容積為廣100 ml ；本專利技術中，所述陰極電極材料包括摻雜氟的31102導電玻璃(簡稱FTO導電玻璃);Ti02 修飾的FTO導電玻璃，In修飾的FTO導電玻璃，ZnO Seed Layer修飾的FTO導電玻璃； 本專利技術中，所述陽極電極材料包括；銅片、碳棒、FTO導電玻璃，修飾的FTO導電玻璃；本專利技術的電化學還原氧化石墨烯制備石墨烯的方法，與現有的制備方法相比，具有如下優點(1)本電化學還原方法未涉及有毒的化學試劑，這避免了造成設備損壞、環境污染和人身危害等；(2)該方法電壓較低，比較安全，但是完全可以滿足實驗的需要，而且這種低壓穩壓電源在實驗室中很常見；(3)使用銅片、碳棒、FTO導電玻璃等作為電極材料，大部分原料的成本低廉易得，雖然 FTO導電玻璃的價格稍貴，但是因為每次用到的量很少，所以也很容易實現；(4)玻璃容器透明，可以清晰地觀察實驗過程中的變化，方便隨時記錄實驗現象；(5)可以根據實驗需要，改變自制玻璃容器的容積大小；(6)裝置簡單、設備投資少，原料成本低廉易得，操作容易，重現性好，適用性強。適合于規模化生產。附圖說明圖1為電化學還原氧化石墨烯制備石墨烯的實驗裝置示意圖。圖2實施例1中電化學還原得到的還原氧化石墨烯與氧化石墨烯的紅外光譜分析圖。圖3實施例1中電化學還原得到的還原氧化石墨烯的XRD譜圖。圖4實施例2中電化學還原得到的還原氧化石墨烯與氧化石墨烯的紅外光譜分析圖。圖5實施例2中電化學還原得到的還原氧化石墨烯的XRD譜圖。圖中標號1、直流穩壓電源，2、陰極電極材料，3、陽極電極材料，4、盛放氧化石墨烯溶液的玻璃容器。具體實施例方式下面通過實施例進一步說明本專利技術。實施例1 :Cu片作陽極，FTO作陰極，氧化石墨烯溶液的濃度為lmg/ml以30μπι氧化石墨為原料，把氧化石墨溶于去離子水中，通過超聲剝離得到lmg/ml的氧化石墨烯溶液；用自來水充分清洗銅片和FTO導電玻璃電極材料，然后將它們分別放入乙醇溶液中，超聲lOmin，最后用去離子水清洗干凈；用自來水充分清洗自制長方體玻璃容器，然后向其中加入乙醇溶液，超聲lOmin，最后用去離子水沖洗干凈；量取60ml已配制好的氧化石墨烯溶膠，加入到自制長方體玻璃容器中；用銅導線帶有夾子的一端分別連接銅片和FTO導電玻璃，然后把電極放入上述氧化石墨烯溶膠中固定好，銅導線的另一端分別與直流穩壓電源的正、負極相連接；接通電源，選擇電壓30V，控制實驗溫度25°C，電化學還原30min，即制得高質量的石墨烯。反應過程中，溶液的顏色由原來的黃棕色逐漸變深；反應結束后，溶液呈深黑色， 陽極Cu片上附有一層黑色物質，陰極FTO導電玻璃上附有一層黑色膜狀物質；溶液中尤其是負極附近會聚集一些黑色的粘稠物。把Cu片和FTO導電玻璃、溶液、溶液中黑色粘稠物等分別取樣，處理后分別作紅外光譜分析和XRD測試。圖2為電化學還原氧化石墨烯和氧化石墨烯的紅外光譜分析圖。氧化石墨烯的紅外光譜分析圖中出現多個含氧官能團的吸收峰，如羥基 OH ( 3575cm—1 和 1400cm—1)，環氧基 C-O-C ( 1225 cm—1)，羰基 C=O ( 1892 cm—1)。 電化學還原氧化石墨烯的紅外光譜圖中，羥基0HC3575 cm—1)、羰基C=0( 1892 cm—1)都基本消失，只有OHCHOOcnT1)和C-0-CC1225 cnT1)還存在非常微弱的吸收，這說明還原效果比較好。圖3為電化學還原氧化石墨烯的XRD譜圖；圖中34°、38°、52°、62°和65°附近的衍射峰分別對應FTO的(101),(200),(211),(310)和(301)面。43°附近存在微弱的氧化石墨(100)面的衍射峰，而10°附近氧化石墨(00 面的主峰已經消失，在沈°處出現很尖很強的衍射峰，與石墨的衍射峰位置相近，這說明氧化石墨烯在很大程度上被還原為石墨烯。實施例2 =Cu片作陽極，FTO作陰極，氧化石墨烯溶液的濃度為ang/ml以30 μ m氧化石墨為原料，溶于去離子水中，通過超聲剝離得到ang/ml的氧化石墨烯溶液；用自來水充分清洗銅片和FTO導電玻璃電極材料，然后將它們分別放入乙醇溶液中， 超聲lOmin，最后用去離子水清洗干凈；用自來水充分清洗自制長方體玻璃容器，然后向其中加入乙醇溶液，超聲lOmin，最后用去離子水沖洗干凈；量取60ml已配制好的氧化石墨烯溶膠，加入到自制長方體本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種電化學還原氧化石墨烯以制備石墨烯的方法，其特征在于具體步驟為：（１）、首先將氧化石墨溶于去離子水中，氧化石墨的粒徑為２５～１４０　μｍ；通過超聲剝離得到氧化石墨烯溶液；氧化石墨烯溶液的濃度是０．５～１０　ｍｇ／ｍｌ；（２）、清洗電極和玻璃容器；（３）、取適量上述氧化石墨烯溶液，加入玻璃容器中；（４）、用銅導線帶有夾子的一端分別連接陰極、陽極，然后把電極放入上述氧化石墨烯溶液中固定好，銅導線的另一端分別與直流穩壓電源的正、負極相連接；（５）、接通電源，控制電壓為１０～５０Ｖ；控制溫度為２５～９０ｏＣ；電化學還原時間為１－６０　ｍｉｎ，即制得高質量的石墨烯。

【技術特征摘要】
1.一種電化學還原氧化石墨烯以制備石墨烯的方法，其特征在于具體步驟為(1)、首先將氧化石墨溶于去離子水中，氧化石墨的粒徑為25 140μ m;通過超聲剝離得到氧化石墨烯溶液；氧化石墨烯溶液的濃度是0. 5^10 mg/ml ；(2)、清洗電極和玻璃容器；(3)、取適量上述氧化石墨烯溶液，加入玻璃容器中；(4)、用銅導線帶有夾子的一端分別連接陰極、陽極，然后把電極放入上述氧化石墨烯溶液中固定好，銅導線的另一端分別與直流穩壓電源的正、負極...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張東，朱沛英，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：31