CN110498410A - 利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法 - Google Patents

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吴彩斌
李本盛
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    • B09BDISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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Abstract

本发明公开了利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其按照以下步骤进行:步骤一、通过还原氨浸出废旧锂离子电池得到废石墨;步骤二、步骤一得到的废石墨通过氧化剂氧化、插层剂插层,辅助试剂辅助氧化还原并剥离制备还原氧化石墨烯;步骤三、步骤二剥离后的石墨烯通过清洗剂除去表面的金属离子;步骤四、将步骤三获得的氧化还原石墨烯烘干得到石墨烯产品。本发明的优点:金属浸出后的废石墨制备石墨烯,变废为宝,成本低廉;氧化体系不使用传统的硝酸盐,提高了石墨烯品质,避免了环境污染;通过过氧乙酸协助一步氧化还原制备石墨烯,简化了石墨烯制备工艺,避免了其他危险有机物的使用,产生的氧气有利于环境。

Description

利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种制备石墨烯的方法,特别涉及一种利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,属于石墨烯技术领域。
背景技术
锂离子电池(LIB)具有高能量密度,长寿命周期,低自放电,并且安全可靠等优点而被广泛用于移动电话,笔记本电脑,新能源汽车和其他现代化电器。然而,由于它只具有几年的使用寿命(约1000次充电放电循环),将产生大量的废LIB。据估计,2020年中国使用的LIB的数量和重量分别超过250亿只和50万吨。通常,废LIB包括阴极,阳极,电解质,隔膜和外壳,阴极包含必不可少的锂金属氧化物,阳极包括石墨,溶解于有机溶剂中的锂盐电解质。LIB在使用寿命结束后,其资源性和危害性引起了很多关注。然而,在废LIB的再循环中,由于过渡金属氧化物材料的存在以及它们在不同领域的若干应用中的有效性,阴极材料的回收比阳极石墨受到更多关注。
通过有机、无机酸或氨浸出回收废LIB的有价金属后会留下大量废石墨,这是低成本制备石墨烯的良好替代品。到目前为止,已经开发了许多方法用于合成还原氧化石墨烯(rGO),例如石墨的微机械裂解,化学气相沉积,液相化学氧化剥离等。其中,液相化学氧化剥离可低成本大量合成还原氧化石墨烯。Hummers石墨烯制备法因其高效率和令人满意的反应安全性而受到最多的关注。然而,由于使用硝酸和硝酸钠作为氧化剂,仍存在两个问题:氧化过程释放出有毒气体,如NO2和N2O4;难以从氧化石墨烯合成和纯化过程中形成的废水中去除残留的Na+和NO3-。此外,所获得的氧化石墨烯通常需要引入额外的化学试剂,如NaBH4,N2H4·H2O,MnCl2,L-抗坏血酸用于还原GO,导致石墨烯制备工序复杂且成本高昂。
发明内容
本发明要解决的技术问题,在于提供一种利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,通过改变氧化体系试剂组成,实现大规模、高品质氧化还原的制备,实现废旧锂离子电池废石墨的资源化利用。
本发明通过下述方案实现:利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其按照以下步骤进行:
步骤一、浸出废旧锂离子电池得到废石墨;
步骤二、步骤一得到的废石墨通过氧化还原并剥离制备还原氧化石墨烯;
步骤三、去除步骤二剥离后的石墨烯表面的金属离子。
利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其按照以下步骤进行:
步骤一、通过还原氨浸出废旧锂离子电池得到废石墨;
步骤二、步骤一得到的废石墨通过氧化剂氧化、插层剂插层,辅助试剂辅助氧化还原并剥离制备还原氧化石墨烯;
步骤三、步骤二剥离后的石墨烯通过清洗剂除去表面的金属离子;
步骤四、将步骤三获得的氧化还原石墨烯烘干得到石墨烯产品。
所述步骤一还原氨的组成为氨水,亚硫酸铵和碳酸氢铵。
采用的氨水浓度为1.5mol/L,亚硫酸铵浓度为1mol/L、碳酸氢铵的浓度为1mol/L。
所述步骤二中氧化剂为高锰酸钾,插层剂为浓硫酸,辅助氧化还原试剂为过氧乙酸。
所述步骤三中清洗剂为稀盐酸和去离子水。
所述步骤三中的石墨烯通过5%稀盐酸清洗除去金属离子,用去离子水清洗至中性。
所述步骤四中的烘干温度为105ºC。
本发明的有益效果为:
1、本发明利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法能够变废为宝,制备石墨烯的成本低廉;
2、本发明利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法的氧化体系不使用传统的硝酸盐,提高了石墨烯品质,避免了环境污染;
3、本发明利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法通过过氧乙酸协助一步氧化还原制备石墨烯,简化了石墨烯制备工艺,避免了其他危险有机物的使用,产生的氧气有利于环境;
4、本发明利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法通过还原氨浸出得到废石墨后,在三元体系中,氧化剂高锰酸钾通常用于氧化和打开石墨边缘,从而使硫酸作为插层剂嵌入石墨中,过氧乙酸则协助氧化并还原氧化石墨烯,反应过程中分解并释放O2,致使石墨夹层通道中的瞬时压力增加,当压力上升到可以克服石墨层之间的范德华力时,可剥离得到层状还原氧化石墨烯。制备的石墨烯C/O为8.52,品质较高,产率为61.2%,因此通过本发明可以大规模生产氧化还原石墨烯,以将应用扩展到各种碳基材料。
附图说明
图1为本发明利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法的流程示意图。
图2为浸出后得到的废石墨(a)和制备的石墨烯(b)SEM图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明进一步说明,但本发明保护范围不局限所述内容。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是,下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向,词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向,且附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为了清楚,不描述实际实施例的全部特征,在下列描述中,不详细描述公知的功能和结构,因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱,应当认为在任何实际实施例的开发中,必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标,例如按照有关***或有关商业的限制,由一个实施例改变为另一个实施例,另外,应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的,但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其按照以下步骤进行:
步骤一、将5g 从18650型锂离子电池得到的阴极粉末加入带塞锥形瓶,加入含有1.5mol/L的氨水,1mol/L亚硫酸铵和1mol/L碳酸氢铵的浸出剂250ml,浸出5h后滤渣冲洗至中性,120ºC烘干12h即得到废石墨;
步骤二、将步骤一得到的废石墨取适量加入烧杯,先加入浓硫酸,搅拌均匀后,再加入高锰酸钾,之后加入过氧乙酸,反应至无气泡产生,即得到还原氧化石墨烯;
步骤三、将步骤二得到的还原氧化石墨烯先用5%盐酸清洗去除金属离子,再用去离子水清洗至中性;
步骤四,将步骤三得到的石墨烯用105ºC恒温干燥后得到成品石墨烯。
成品石墨烯C/O为8.52,说明过氧乙酸成功将氧化石墨烯还原。
通过还原氨浸出得到废石墨后,在三元体系中,氧化剂高锰酸钾通常用于氧化和打开石墨边缘,从而使硫酸作为插层剂嵌入石墨中,过氧乙酸则协助氧化并还原氧化石墨烯,反应过程中分解并释放O2,致使石墨夹层通道中的瞬时压力增加,当压力上升到可以克服石墨层之间的范德华力时,可剥离得到层状还原氧化石墨烯。制备的石墨烯C/O为8.52,品质较高,产率为61.2%,因此通过本发明可以大规模生产氧化还原石墨烯,以将应用扩展到各种碳基材料。
尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举,应当理解,对于本领域技术人员来说,对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案,这对本领域的技术人员而言是显而易见,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:其按照以下步骤进行:
步骤一、浸出废旧锂离子电池得到废石墨;
步骤二、步骤一得到的废石墨通过氧化还原并剥离制备还原氧化石墨烯;
步骤三、去除步骤二剥离后的石墨烯表面的金属离子。
2.根据权利要求1所述的利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:其按照以下步骤进行:
步骤一、通过还原氨浸出废旧锂离子电池得到废石墨;
步骤二、步骤一得到的废石墨通过氧化剂氧化、插层剂插层,辅助试剂辅助氧化还原并剥离制备还原氧化石墨烯;
步骤三、步骤二剥离后的石墨烯通过清洗剂除去表面的金属离子;
步骤四、将步骤三获得的氧化还原石墨烯烘干得到石墨烯产品。
3.根据权利要求2所述的利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:所述步骤一还原氨的组成为氨水,亚硫酸铵和碳酸氢铵。
4.根据权利要求3所述的利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:采用的氨水浓度为1.5mol/L,亚硫酸铵浓度为1mol/L、碳酸氢铵的浓度为1mol/L。
5.根据权利要求2所述的利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:所述步骤二中氧化剂为高锰酸钾,插层剂为浓硫酸,辅助氧化还原试剂为过氧乙酸。
6.根据权利要求2所述的利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:所述步骤三中清洗剂为稀盐酸和去离子水。
7.根据权利要求2所述的利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:所述步骤三中的石墨烯通过5%稀盐酸清洗除去金属离子,用去离子水清洗至中性。
8.根据权利要求2所述的利用废旧电池中石墨一步氧化还原制备石墨烯的方法,其特征在于:所述步骤四中的烘干温度为105ºC。
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