CN105271205B - 一种利用电化学过程制备层数可控的高质量石墨烯的方法 - Google Patents

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本发明属于石墨烯制备技术领域，具体为一种利用电化学过程制备层数可控的高质量石墨烯的方法。本发明使用石墨为反应物质，在石墨层间可控***能储存锂离子的（化合、嵌入等）插层客体（如金属盐、金属氧化物，聚合物或单质等），形成阶数可控的石墨插层化合物（GICs）；将石墨插层化合物制成电极，用作锂离子电池负极，经过部分不可逆的电化学过程，石墨插层化合物层间的范德华力消失，转换为石墨烯，经过分散、洗涤等处理，获得层数可控的石墨烯。本发明通过电化学过程使石墨的分子间作用力被破坏，不需要经过超声或者膨胀等剧烈反应过程，反应过程温和，并能精确控制石墨烯层数，得到的石墨烯片具有缺陷少，电导率高等优点，易于大规模产业化生产。

Description

一种利用电化学过程制备层数可控的高质量石墨烯的方法
技术领域
本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种利用电化学过程制备层数可控的高质量石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫采用“微机械力***法”(microfolitation)制备了一种单原子厚度的碳膜，这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定，它可以单独存在。毋庸置疑，石墨烯是继碳纳米管、富勒烯球后的又一重大发现，海姆和诺沃肖洛夫两人也因在二维石墨烯材料的开创性研究，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。由于石墨烯独特的二维结构和优异的晶体学结构，石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象，具有重要的理论研究和应用价值。
由于石墨烯的性能与其层数有密切关系，为了实现石墨烯的商业应用，低成本高产率制备层数可控的高质量石墨烯是一个非常重要的研究方向。目前，制备石墨烯的方法包括以下几种：（1）微机械剥离法，此法制得的石墨烯晶体结构完整，但是产率太低，不适合大规模生产；（2）化学气相沉积法（CVD），此法制备的石墨烯晶体结构较完整，通过控制条件可实现层数可控，但是成本较高，制备工艺要求较高，难以实现规模生产；（3）外延生长法，该方法能够得到大面积的石墨烯，但是石墨烯薄片不易于基底分离，成本较高；（4）溶剂剥离法，此法通过将石墨与部分插层剂混合，在适当溶剂中进行剥离，该方法可得到较高质量的石墨烯，但是该方法需要长时间的超声或者球磨等处理过程，而且往往产率不高；（5）氧化还原法，该法是现阶段最常用的大量制备石墨烯的方法，但此法制得的石墨烯缺陷较多，石墨烯的导电性能较差。而且此方法很难实现层数控制，中国专利《一种层数可控的高质量石墨烯的制备方法》（CN101993061A）通过调控石墨的氧化程度，实现层数控制。但该方法使用氢氩混合气在300-1000oC的高温下还原氧化石墨，存在还原时间长，对设备要求高，反应成本高，能耗高等问题。因此，开发一种简单的，大规模制备层数可控的高质量石墨烯制备方法非常重要。为解决已报道方法存在的问题，本发明使用石墨为反应物质，通过在石墨层间可控***能储存锂离子的（化合、嵌入等）插层客体（如金属盐、金属氧化物，聚合物或单质等），形成阶数可控的石墨插层化合物（GICs）；将石墨插层化合物制成电极，用作锂离子电池负极，经过部分不可逆的电化学过程，石墨插层化合物层间的范德华力消失，转换为石墨烯，经过分散、洗涤等一系列处理，获得层数可控的石墨烯。本发明通过电化学过程使石墨的分子间作用力被破坏，不需要经过超声或者膨胀等剧烈反应过程，反应过程温和，并能精确控制石墨烯层数，得到的石墨烯片具有缺陷少，电导率高等优点，易于大规模产业化生产。
发明内容
本发明的目的在于开发一种简单的，大规模制备层数可控的高质量石墨烯制备方法。
本发明提出一种利用电化学过程制备层数可控的高质量石墨烯的方法，具体步骤如下：
（1）将石墨与可以储锂的插层剂混合，制成不同阶数的石墨插层化合物（GICs）；
（2）将步骤（1）所制得的石墨插层化合物在锂离子电池的电解液中作为电池负极，通过充放电过程，使石墨烯片层间的分子间作用力消失（过程如图1所示），得到石墨烯复合物；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯复合物在溶剂中分散，通过超声方法处理，然后过滤、洗涤，得到不同层数的高质量石墨烯。其中：
所述的超声时间取决于超声波处理时的功率大小、石墨的颗粒尺寸，由于分子间作用力已被破坏，超声时间控制在30分钟以内即可（一般超声5-25分钟），超声功率为200-2000W，频率为15-100kHz。
本发明中，步骤（1）所述的石墨插层化合物，其阶数一般控制为1到10之间的单一阶或含不同阶的化合物，根据需要通过调节石墨与插层剂的比例以及反应条件，调节生成不同阶数。
本发明中，步骤（1）所述的石墨插层化合物的制备方法包括固相***、液相***、气相***方法中的一种，或其中几种方法的混合。根据反应时***物状态的不同，GICs的制备方法可分为：双室法、化学法、电化学法、混合法、加压法和熔盐法等。现将制备GICs的常用方法具体介绍如下：
1. 双室法合成GICs：双室法是制备GICs的经典方法，特别适合于碱金属-GICs及金属氯化物-GICs的制备。在耐热玻璃反应器两端的反应室中，分别放置石墨和***物，抽真空熔封后，用两组电炉分别控制玻璃反应器两端反应室的温度，使Tg>Ti(石墨试样的温度Tg>***物的温度Ti)，以保证***物能顺利地***石墨层间，同时防止生成的插层化合物在温度过高时发生分解反应；
2. 化学法合成GICs：以天然鳞片石墨和H2SO4为原料，Cl2、重铬酸盐、H2O2、HNO3等为氧化剂，通过氧化剂使石墨碳层氧化，以浓H2SO4作为主要插层剂进行插层。鳞片石墨经氧化处理后，失去π电子，阴离子进入石墨层间，形成石墨层间化合物；
3. 电化学法合成GICs：电化学法合成GICs是将天然鳞片石墨和辅助阳极一起构成阳极室，插层剂溶液作电解液，通直流或脉冲电流，进行阳极氧化，脱酸、水洗、脱水干燥得到的。这是一种利用电化学反应将***物以离子的形式***石墨层间而制备GICs的方法；
4. 混合法合成GICs：这是一种直接将石墨与***物混合，然后在流动性保护气氛下或在封闭***中进行热处理而制备GICs的方法；
5. 加压法合成GICs：将碱土金属和稀土金属粉末等与石墨基体混合后在加压条件下反应生成M-GICs；
6. 熔盐法(也称为混合液相法)合成GICs：熔盐法是基于各组分共晶可使体系熔点降低(低于各组分的熔点)的性质而提出来的，是一种可同时将两种或两种以上物质(必须能形成熔融盐体系)***石墨层间的制备三元或多元GICs的方法。该方法使原来需要较高的反应温度才能***石墨层间的反应物质在较低的反应温度下就可***石墨层间，因而具有重要的实用价值。
此外合成GICs方法还有光化学法、催化剂法、***法等，这些合成方法，各有其优点和不足之处，合成对象亦不尽相同，因较少采用，这里不作详细阐述。
本发明中，步骤（1）所述的插层主体为，石墨包括但不仅限于天然石墨，改性石墨，人造石墨（如HOPG、沥青基炭纤维、气相生长炭纤维、聚丙烯腈炭纤维等等），石墨化的碳材料具有层状结构的石墨中的至少一种。这些材料部分或全部具有石墨结构，层面内碳原子以SP2杂化轨道电子形成共价键，同时各个碳原子又与2pZ轨道电子形成金属键，形牢固的六角网状平面炭层。
本发明中，步骤（1）所述的插层剂为金属盐、金属氧化物、聚合物、单质中的一种，或其中几种的混合体。具体物质见表1，具体物质包括但不仅限于表1中所述物质。
本发明中，步骤（2）所述的充放电过程可以在放电状态下停止，也可以在充电状态下停止。
本发明中，步骤（3）所述的分散过程，所用溶剂包括水和乙醇、苯、甲苯等常用有机溶剂。
本发明制备方法制得到的石墨烯，其石墨烯层数为1-10层，石墨晶格缺陷少，呈现出比较完整的六边形，石墨烯表面不含环氧基、羧基、羟基等含氧基团；电子迁移率超过3000cm2/Vs，石墨烯导电性好。
附图说明
图1是本发明通过充放电使分子间作用力被破坏的过程图。
图2是本发明所制备的二阶氯化铁氯化铜石墨插层化合物的XRD。
图3是本发明所制备的2层石墨烯的透射电镜（TEM）图片。
图4是本发明所制备的2层石墨烯的拉曼（Raman）光谱。
图5是本发明所制备的2层石墨烯的电子输运测试结果。
具体实施方式
从以下实施例可以更好地理解本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例
实施例1：
称取6g石墨，3.24g无水氯化铁，2.69g无水氯化铜充分混合后，80℃真空烘箱中干燥8小时，干燥后的样品在反应釜中密封，400℃处理6个小时。所得产品用去离子水洗至洗涤液中无Fe3+、 Cu2+。水洗后的样品在真空烘箱中120℃干燥10小时，制得二阶氯化铁氯化铜石墨插层化合物。（详见图1）
将上述所制二阶氯化铁氯化铜石墨插层化合物直接压在泡沫镍网上制成电极，之后放置在80℃真空烘箱中干燥12小时，以此作为锂离子电池的工作电极。在手套箱中按照正极/隔膜/负极的顺序组装进行单电极测试。单电极测试以锂片为负极，1M LiPF6 •EC/DEC/DMC（体积比为1:1:1）为电解液，隔膜采用商用锂离子电池隔膜，组装成电池。电池工作区间为0~3.0V，充放电电流为100mA/g，首圈放电到0V，充回到3V后，将电池拆开，将石墨插层化合物电极分散到水中，超声分散10分钟，水洗、稀盐酸洗之后过滤，即可制得2层的石墨烯（详见图2），这样制得的石墨烯缺陷很少（详见图3），导电性很优异（详见图4）。
实施例2：
称取6g石墨，3.24g无水氯化铁，2.69g无水氯化铜充分混合后，80℃真空烘箱中干燥8小时，干燥后的样品在反应釜中密封，400℃处理6个小时。所得产品用去离子水洗至洗涤液中无Fe3+、 Cu2+。水洗后的样品在真空烘箱中120℃干燥10小时，制得二阶氯化铁氯化铜石墨插层化合物。（详见图1）
将上述所制二阶氯化铁氯化铜石墨插层化合物直接压在泡沫镍网上制成电极，之后放置在80℃真空烘箱中干燥12小时，以此作为锂离子电池的工作电极。在手套箱中按照正极/隔膜/负极的顺序组装进行单电极测试。单电极测试以锂片为负极，1M LiPF6 •EC/DEC/DMC（体积比为1:1:1）为电解液，隔膜采用商用锂离子电池隔膜，组装成电池。电池工作区间为0~3.0V，充放电电流为100mA/g，首圈放电到0V，充回到1.5V，将电池拆开，将石墨插层化合物电极分散到水中，超声分散10分钟，水洗、稀盐酸洗之后过滤，即可制得2层的石墨烯。
实施例3：
称取6g石墨，3.24g无水氯化铁，2.69g无水氯化铜充分混合后，80℃真空烘箱中干燥8小时，干燥后的样品在反应釜中密封，400℃处理6个小时。所得产品用去离子水洗至洗涤液中无Fe3+、 Cu2+。水洗后的样品在真空烘箱中120℃干燥10小时，制得二阶氯化铁氯化铜石墨插层化合物。（详见图1）
将上述所制二阶氯化铁氯化铜石墨插层化合物直接压在泡沫镍网上制成电极，之后放置在80℃真空烘箱中干燥12小时，以此作为锂离子电池的工作电极。在手套箱中按照正极/隔膜/负极的顺序组装进行单电极测试。单电极测试以锂片为负极，1M LiPF6 •EC/DEC/DMC（体积比为1:1:1）为电解液，隔膜采用商用锂离子电池隔膜，组装成电池。电池工作区间为0~3.0V，充放电电流为100mA/g，在0-3V区间循环5圈后，将电池拆开，将石墨插层化合物电极分散到水中，超声分散25分钟，水洗、稀盐酸洗之后过滤，即可制得2层的石墨烯。
实施例4：
称取8g石墨，5.36g无水氯化铁，充分混合后，80℃真空烘箱中干燥8小时，干燥后的样品在反应釜中密封，550℃处理12个小时。所得产品用去离子水洗至洗涤液中无Fe3+、Cu2+。水洗后的样品在真空烘箱中120℃干燥10小时，制得四阶氯化铁石墨插层化合物。
将上述所制四阶氯化铁石墨插层化合物直接压在泡沫镍网上制成电极，之后放置在80℃真空烘箱中干燥12小时，以此作为锂离子电池的工作电极。在手套箱中按照正极/隔膜/负极的顺序组装进行单电极测试。单电极测试以锂片为负极，1M LiPF6 •EC/DEC/DMC（体积比为1:1:1）为电解液，隔膜采用商用锂离子电池隔膜，组装成电池。电池工作区间为0~3.0V，充放电电流为100mA/g，首圈放电到0V，充回到3V后，将电池拆开，将石墨插层化合物电极分散到水中，超声分散20分钟，水洗、稀盐酸洗之后过滤，即可制得四层的石墨烯。
实施例5：
称取12g石墨，5.36g无水氯化铁，充分混合后，80℃真空烘箱中干燥8小时，干燥后的样品在反应釜中密封，600℃处理12个小时。所得产品用去离子水洗至洗涤液中无Fe3+、Cu2+。水洗后的样品在真空烘箱中120℃干燥10小时，制得六阶氯化铁石墨插层化合物。
将上述所制四阶氯化铁石墨插层化合物直接压在泡沫镍网上制成电极，之后放置在80℃真空烘箱中干燥12小时，以此作为锂离子电池的工作电极。在手套箱中按照正极/隔膜/负极的顺序组装进行单电极测试。单电极测试以锂片为负极，1M LiPF6 •EC/DEC/DMC（体积比为1:1:1）为电解液，隔膜采用商用锂离子电池隔膜，组装成电池。电池工作区间为0~3.0V，充放电电流为100mA/g，首圈放电到0V，充回到3V后，将电池拆开，将石墨插层化合物电极分散到水中，超声分散10分钟，水洗、稀盐酸洗之后过滤，即可制得六层的石墨烯。
实施例6：
称取6g石墨，4.33g无水氯化钴，充分混合后，80℃真空烘箱中干燥8小时，干燥后的样品在反应釜中密封，700℃处理3个小时。所得产品用去离子水洗至洗涤液中无Fe3+、Cu2+。水洗后的样品在真空烘箱中120℃干燥10小时，制得三阶四阶混阶的氯化钴石墨插层化合物。
将上述所制混阶的氯化钴石墨插层化合物直接压在泡沫镍网上制成电极，之后放置在80℃真空烘箱中干燥12小时，以此作为锂离子电池的工作电极。在手套箱中按照正极/隔膜/负极的顺序组装进行单电极测试。单电极测试以锂片为负极，1M LiPF6 •EC/DEC/DMC（体积比为1:1:1）为电解液，隔膜采用商用锂离子电池隔膜，组装成电池。电池工作区间为0~3.0V，充放电电流为100mA/g，首圈放电到0V，充回到3V后，将电池拆开，将石墨插层化合物电极分散到水中，超声分散10分钟，水洗、稀盐酸洗之后过滤，即可制得三层、四层为主的石墨烯。
表1 石墨插层化合物客体材料列表
。

Claims (7)

1.一种利用电化学过程制备层数可控的高质量石墨烯的方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）将石墨与可以储锂的插层剂混合，制成不同阶数的石墨插层化合物；
（2）将步骤（1）所制得的石墨插层化合物在锂离子电池的电解液中作为电池负极，通过充放电过程，使石墨烯片层间的分子间作用力消失，得到石墨烯复合物；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯复合物在溶剂中分散，通过超声方法处理，然后过滤、洗涤，得到不同层数的高质量石墨烯；
所述石墨插层化合物的插层主体为石墨；插层客体即插层剂为可逆或部分可逆储存锂离子的物质，插层剂包括金属盐、金属氧化物、聚合物、单质中的一种，或其中几种的混合体；
所述石墨为天然石墨、人造石墨或改性石墨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的石墨插层化合物，阶数为1到10的单一阶或含不同阶的化合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于石墨插层化合物的制备方法包括固相***、液相***、气相***方法中的一种，或其中几种方法的混合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于充放电过程在放电状态下停止，或者在充电状态下停止。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于分散所用溶剂为水和乙醇、苯或甲苯。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所制备的石墨烯层数为1-10层，石墨晶格缺陷少。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的超声时间为30分钟以内，超声功率为200-2000W，频率为15-100kHz。
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High-Yield Synthesis of Few-Layer Graphene Flakes through Electrochemical Expansion of Graphite in Propylene Carbonate Electrolyte;Junzhong Wang et al.;《Journal of the American Chemical Society》;20110510;第133卷;第8888–8891页 *
Powder, Paper and Foam of Few-Layer Graphene Prepared in High Yield by Electrochemical Intercalation Exfoliation of Expanded Graphite;Liqiong Wu et al.;《Small》;20131209;第10卷(第7期);第1421–1429页 *

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WO2017084632A1 (zh) 2017-05-26

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