CN111908459A - 电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置及剥离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电剥离石墨粉生产石墨烯的方法，包括如下步骤：1）选择石墨粉材质及颗粒大小；2）选择电解液；3）选择滤袋膜的材质及孔径大小；4）选择电极的大小以及数量；5）组装电剥离装置；6）选择重物重量；7）电化学剥离；8）剥离结束。这种方法，能够实现规模化、稳定、高效、低成本的电化学剥离石墨粉生产石墨烯，提高了石墨烯收率，稳定了剥离电流。本发明还公开了电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置。
Description
技术领域
本发明涉及制备石墨烯领域，具体是一种电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置及剥离方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。具有超大的比表面积，优异的导热、导电、力学性能以及化学稳定性, 近年来受到学术界的广泛关注。目前的制备方式主要有：机械剥离法、CVD法、氧化还原法、电化学剥离法等，电化学剥离法具有低成本、快速高效、绿色环保等优点，但是在现有的电化学剥离制备石墨烯的研究中多使用石墨箔、鳞片石墨或是高定向热解石墨作为石墨原材料，少采用石墨粉，主要是以石墨粉作为原料剥离制备石墨烯的收率普遍较低，原因是在电化学剥离过程中不能保持持续以及充分的剥离，石墨颗粒分布离散，与其临近的颗粒的接触点有限甚至为零，因此在电化学剥落过程发生后，膨胀的石墨颗粒就会脱落，膨胀就在早期停止导致剥离不持续也不充分。因而极大降低了石墨粉电化学剥离制备石墨烯的收率，如果能使从电极基体上脱落的石墨颗粒有部分能停留（限制）在石墨电极基体的表面，保持和石墨电极集流体的电子电流的导通，因而就可以使部分从电极基体上脱落的石墨颗粒继续进行电化学剥离，从而继续产生石墨烯，最终使电化学剥离石墨制备石墨烯的收率提高。单个电解池的剥离收率较低，选用方形的电极就可以自由组合，且组合的相邻单体之间只需放置一个方形对电极，在批量生产石墨烯时，节约了成本，同时利用滤袋膜的限域作用，保证了剥离电流的连续性，使剥离脱落的部分石墨颗粒或者石墨片层进行二次剥离，提高了石墨烯收率。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置及剥离方法。这种方法，能够实现规模化、稳定、高效、低成本的电化学剥离石墨粉生产石墨烯，提高了石墨烯收率，稳定了剥离电流。
实现本发明的技术方案是：
一种电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，包括电解槽，电解槽内设有电解液，电解槽内设有方形对电极和带网孔的支架，支架内设有滤袋膜，滤袋膜内设有石墨粉和集流体，石墨粉和集流体组成石墨电极，石墨电极与方形对电极之间设有间距，方形对电极环绕石墨电极放置，方形对电极与电解槽内底面之间设有间隙，石墨电极顶部设有重物施加压力，方形对电极和集流体外接电源。
所述石墨电极单体为方形，单体石墨电极和方形对电极分别可多个进行组合。
所述方形对电极为耐腐蚀金属导电材料。
所述集流体为高硬度耐腐蚀导电材料。
所述支架材质为耐酸耐碱耐腐蚀。
所述滤袋膜设有孔隙结构，材质为耐酸耐碱耐腐蚀，且滤袋膜孔隙结构中的孔径小于石墨粉的粒径，滤袋膜允许电解液离子自由通过而剥离产物被限域流动，提高石墨粉电化学剥离制备石墨烯的收率。
所述重物可对石墨粉的堆密度进行调节，保持和石墨电极集流体的电子电流的导通，提高石墨石墨粉电化学剥离制备石墨烯的收率。
所述方形对电极与石墨电极之间的间距为1-7cm。
所述的电源为直流稳压电源、交流稳压电源或者是脉冲电源中的一种。
一种电剥离石墨粉生产石墨烯的方法，包括上述实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，所述方法包括如下步骤：
1）选择石墨粉材质及颗粒大小：选择人造石墨、天然石墨或者是回收废旧石墨粉中的一种，石墨粉的粒径大小在50-800目；
2）选择电解液：选择水系电解液、有机电解液、离子液体中的一种；
3）选择滤袋膜的材质及孔径大小：根据电解液的种类性质以及石墨粉原材料的孔径大小选择滤袋膜的材质以及孔径大小；
4）选择电极的大小以及数量：根据所需产量选择电极的大小、组合方式以及数量；
5）组装电剥离装置：在电解槽内装入步骤2）选择的电解液，将石墨粉和集流体装入滤袋膜中，石墨粉分布在集流体的两侧边，滤袋膜内的石墨粉和集流体组成石墨电极作为阳极或者阴极的任意一极，将选择好数量的方形对电极浸入到装有电解液的电解槽中，其中方形对电极围绕支架外围放置，石墨电极与方形对电极之间设有间距，方形对电极与电解槽内底面之间设有间隙，石墨电极与方形对电极与电源的正负极连接；
6）选择重物重量：根据石墨颗粒粒径以及石墨颗粒堆密度大小，确定施加重物的重量大小；
7）电化学剥离：依据石墨粉的质量和体积，将剥离电压设置为1-60V，剥离时间为1-10h；
8）剥离结束：滤袋膜内的石墨粉剥离成石墨烯浆液，将滤袋膜内的石墨烯浆液取出存瓶。
步骤5）中所述的电源为直流稳压电源、交流稳压电源或者是脉冲电源中的一种。
步骤5）中所述的石墨电极与方形对电极之间的间距为1-7cm。
本技术方案与现有技术相比：
1. 利用滤袋膜以及支架的限域作用，保证了剥离电流的连续性，使剥离脱落的部分石墨颗粒或者石墨片层进行二次剥离，提高石墨烯收率；
2. 避免石墨烯和石墨颗粒对阴阳电极的短路，稳定了剥离电流；
3. 生产规模可根据产量需求进行任意且自由组合，其放大方式具有高效、便捷的特征。
这种方法，将石墨电极基体脱落的石墨颗粒最大程度地被限制在石墨基体的表面，和石墨基体保持电子电流的导通，因为脱落的石墨颗粒能继续进行电化学剥离，继续生产石墨烯，因而可以极大提高石墨粉电化学制备石墨烯收率的同时对产物进行有效收集。
这种方法，能够实现规模化、稳定、高效、低成本的电化学剥离石墨粉生产石墨烯，提高了石墨烯收率，稳定了剥离电流。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例1中石墨电极交叉组合的示意图；
图3为实施例1中石墨电极和方形对电极多个组合后再阵列排布的示意图；
图4为实施例1中剥离的石墨烯与石墨烯标准卡的XRD图；
图5为实施例1中剥离的石墨烯的SEM图；
图6为实施例1中剥离的石墨烯的TEM图。
图中，1.电解槽 2.方形对电极 3.支架 4.滤袋膜 5.石墨粉 6.集流体7.电源8.电解液。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但不是对本发明的限定。
实施例：
实施例1：
参照图1，一种电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，包括电解槽1，电解槽1内设有电解液8，电解槽1内设有方形对电极2和带网孔的支架3，支架3内设有滤袋膜4，滤袋膜4内设有石墨粉5和集流体6，石墨粉5和集流体6组成石墨电极，石墨电极顶部设有重物施加压力，如图2、图3所示，方形对电极2可设在石墨电极的两侧或四周，石墨电极可采用单个或者交叉等组合形式，设在石墨电极四周的方形对电极2与石墨电极可以作为一个单体进行接触式的阵列排布组合，当以设在石墨电极四周的方形对电极2与石墨电极作为一个单体进行接触式的阵列排布时，相邻单体之间的接触部，只需放置一个方形对电极2，在批量生产石墨烯时，节约了成本。
所述石墨电极单体为方形，单体石墨电极和方形对电极2分别可多个进行组合。
所述方形对电极2为耐腐蚀金属导电材料。
所述集流体6为高硬度耐腐蚀导电材料。
所述支架3材质为耐酸耐碱耐腐蚀。
所述滤袋膜4设有孔隙结构，材质为耐酸耐碱耐腐蚀，且滤袋膜孔隙结构中的孔径小于石墨粉5的粒径，滤袋膜4允许电解液离子自由通过而剥离产物被限域流动，提高石墨粉电化学剥离制备石墨烯的收率。
所述重物可对石墨粉5的堆密度进行调节，保持和石墨电极中集流体的电子电流的导通，提高石墨石墨粉电化学剥离制备石墨烯的收率。
所述方形对电极2与石墨电极之间的间距为1-7cm。
所述的电源7为直流稳压电源、交流稳压电源或者是脉冲电源中的一种。
一种电剥离石墨粉生产石墨烯的方法，包括上述实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，所述方法包括如下步骤：
1）选择石墨粉5材质及颗粒大小：选择人造石墨、天然石墨或者是回收废旧石墨粉中的一种，石墨粉5的粒径大小在50-800目，本例采用160-200目人造石墨粉；
2）选择电解液8：选择水系电解液、有机电解液、离子液体中的一种，本例选择0.1MNa2SO4的水系电解液；
3）选择滤袋膜4的材质及孔径大小：根据电解液8的种类性质以及石墨粉5原材料的孔径大小选择滤袋膜4的材质以及孔径大小，本例选择300目纱布作为滤袋膜；
4）选择电极的大小以及数量：根据所需产量选择电极的大小、组合方式以及数量，以石墨电极四周的方形对电极与石墨电极作为一个单体进行接触式的阵列排布组合，本例选择两行三列一共六个单体组合；
5）组装电剥离装置：在电解槽1内装入步骤2）选择的电解液8，将石墨粉5和集流体6装入滤袋膜4中，石墨粉5分布在集流体6的两侧边，滤袋膜4内的石墨粉5和集流体6组成石墨电极作为阳极或者阴极的任意一极，将选择好数量的方形对电极2浸入到装有电解液8的电解槽1中，其中方形对电极2围绕支架3外围放置，石墨电极与方形对电极2之间设有间距，方形对电极2与电解槽1内底面之间设有间隙，石墨电极与方形对电极2与电源7的正负极连接；
6）选择重物重量：根据石墨颗粒粒径以及石墨颗粒堆密度大小，确定施加重物重量，本例选择每个石墨电极单体施加重物2kg；
7）电化学剥离：依据石墨粉5的质量和体积，将剥离电压设置为1-60V，剥离时间为1-10h，本例剥离电压设置为10V，剥离时间为4h；
8）剥离结束：滤袋膜4内的石墨粉剥离成石墨烯浆液，将滤袋膜内的石墨烯浆液取出存瓶。
步骤5）中所述的电源7为直流稳压电源、交流稳压电源或者是脉冲电源中的一种，本例选择直流稳压电源。
步骤5）中所述的石墨电极与方形对电极2之间的间距为1-7cm，本例选择2cm。
采用本例装置和方法剥离的石墨烯与石墨烯标准卡的XRD图、SEM图、TEM图分别如图4、图5、图6所示。
实施例2：
本例选择160-200目的人造石墨粉。
本例选择0.1M K2SO4的水系电解液。
本例选择300目尼龙布作为滤袋膜。
其余同实施例1。
实施例3：
本例选择剥离电压为8V，剥离时间为6h。
其余同实施例1。
Claims (8)
1.一种电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，包括电解槽，电解槽内设有电解液，其特征在于，电解槽内设有方形对电极和带网孔的支架，支架内设有滤袋膜，滤袋膜内设有石墨粉和集流体，石墨粉和集流体组成石墨电极，石墨电极与方形对电极之间设有间距，方形对电极环绕石墨电极放置，方形对电极与电解槽内底面之间设有间隙，石墨电极顶部设有重物施加压力，方形对电极和集流体外接电源。
2.根据权利要求1所述的实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，其特征在于，所述石墨电极单体为方形，单体石墨电极和方形对电极分别可多个进行组合。
3. 根据权利要求1所述的实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，其特征在于，所述方形对电极为耐腐蚀金属导电材料 。
4.根据权利要求1所述的实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，其特征在于，所述滤袋膜设有孔隙结构，材质为耐酸耐碱耐腐蚀，且滤袋膜孔隙结构中的孔径小于石墨粉的粒径。
5.根据权利要求1所述的实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，其特征在于，所述集流体为高硬度耐腐蚀的导电材料。
6.根据权利要求1所述的实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，其特征在于，所述方形对电极与石墨电极之间的间距为1-7cm。
7.一种电剥离石墨粉生产石墨烯的方法，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项实现电剥离石墨粉生产石墨烯的自由组合方形装置，所述方法包括如下步骤：
1）选择石墨粉材质及颗粒大小：选择人造石墨、天然石墨或者是回收废旧石墨粉中的一种，石墨粉的粒径大小在50-800目；
2）选择电解液：选择水系电解液、有机电解液、离子液体中的一种；
3）选择滤袋膜的材质及孔径大小：根据电解液的种类性质以及石墨粉原材料的孔径大小选择滤袋膜的材质以及孔径大小；
4）选择电极的大小以及数量：根据所需产量选择电极的大小、组合方式以及数量；
5）组装电剥离装置：在电解槽内装入步骤2）选择的电解液，将石墨粉和集流体装入滤袋膜中，石墨粉分布在集流体的两侧边，滤袋膜内的石墨粉和集流体组成石墨电极作为阳极或者阴极的任意一极，将选择好数量的方形对电极浸入到装有电解液的电解槽中，其中方形对电极围绕支架外围放置，石墨电极与方形对电极之间设有间距，方形对电极与电解槽内底面之间设有间隙，石墨电极与方形对电极与电源的正负极连接；
6）选择重物重量：根据石墨颗粒粒径以及石墨颗粒堆密度大小，确定施加重物的重量大小；
7）电化学剥离：依据石墨粉的质量和体积，将剥离电压设置为1-60V，剥离时间为1-10h；
8）剥离结束：滤袋膜内的石墨粉剥离成石墨烯浆液，将滤袋膜内的石墨烯浆液取出存瓶。
8.根据权利要求7所述的电剥离石墨粉生产石墨烯的方法，其特征在于，步骤5）中所述的电源为直流稳压电源、交流稳压电源或者是脉冲电源中的一种。
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