本發明屬于石墨烯制備技術領域，具體涉及一種通過電化學剝離、快速高效并且無污染地制備石墨烯的方法。

背景技術：

2004年，英國曼徹斯特大學的Andre Geim教授和他的同事們通過機械剝離高定向熱解石墨(HOPG)的方法首次制備得到了單層或少層石墨，即“石墨烯”，并獲得了2010年諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎委員會認為該發現的重要貢獻主要表現在三個方面：1)首次制備出了單原子層二維材料“石墨烯”，推翻了二維單原子層晶體不可能在非絕對零度下穩定存在的論斷；2)首次提出了觀察石墨烯的方法；3)發現石墨烯具有異常量子霍爾效應等特殊的物理效應和性能，被普遍認為會最終替代硅，從而引發電子工業的再次革命，以及是眾多‘明星’材料中最接近應用的材料。此后，石墨烯優異的力學性質、熱學性質、電學性質和光學性質等獨特的物化性能也很快被發現，成為國際自然科學的研究熱點之一。

一般認為，石墨烯的大規模、高質量、低成本和環保制備是制約其廣泛應用的“瓶頸”。迄今為止，多種石墨烯的制備方法被相繼報道出來，較為常見的方法有：機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法(CVD)、氧化還原法、電化學剝離法等。其中，通過機械剝離或外延生長得到的石墨烯具有較高的晶體質量，但是產率十分有限；CVD法是制備石墨烯薄膜的好方法，具有成膜質量高、面積大等特點，但合成溫度高、基底要求苛刻、需要后續轉移等缺點限制了該方法的進一步應用。基于Hummers、Brodie和Staudenmaier法的氧化還原法是目前普遍采用的一種可實現大規模低成本制備方法，但強酸和強氧化劑的引入會破壞石墨烯的本征結構，導致產物缺陷增多，性能大幅降低；另外，由于該方法大量使用強酸和強氧化劑，其在產業化制備中的環保問題常常受到政府法律法規的限制和制約，被認為是一種落后和淘汰的技術。

近來，電化學剝離法因其簡單、快速、安全環保和能夠大量制備等優勢引起了極大地關注。該方法的原理是將高純石墨(或石墨紙)電極作為陽極，在液相環境中對其進行電化學剝離得到石墨烯。但是目前較為常見的電解液體系仍然選用的是酸性溶液(如硫酸、磷酸等)，制備過程中會產生有毒有害氣體，對環境造成污染。例如，中科院蘇州納米所的劉立偉等提出選用濃度為3-18mol/L的硫酸水溶液作為電解液，可以有效地剝離制備石墨烯。但硫酸本身屬于一種強酸，且制備過程中會產生SO₂等氣體，因此仍存在著一定的環保問題。華南理工大學的鐘軼良等以磷酸氫二銨(NH₄)₂HPO₄作電解液，發現石墨陽極能夠吸附磷酸根離子并發生電氧化膨脹剝離，但得到的產物團聚較嚴重，片層不均勻，特別是磷酸基溶液也存在環境污染問題。

因此，石墨烯的非酸(無酸或弱酸)制備是目前國際上的研發重點。如果能夠將電解液改為堿性溶液體系，將徹底解決石墨烯制備過程中的環保問題，對于實現石墨烯的綠色工業化生產非常重要。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術存在的環保問題，提出一種采用堿性溶液作為電解液，實現石墨烯綠色環保、快速、高效的電化學剝離制備方法。該方法具有耗時少、操作簡單、對環境友好等特點，石墨烯產物純凈，片層較薄，結構完整，特別適于大規模產業化生產。

本發明采用的技術方案具體如下：

一種基于堿性電解液的石墨烯制備方法，包括以下步驟：以經軋制形成的碳含量≥99％的石墨電極作為陽極，以惰性金屬電極作為陰極，將陰極和陽極以25-100mm的間距平行插入堿性電解液中，再施以1-10V的正向直流電壓，通電0.5-5h，停止通電后收集溶液中的固體，然后對固體進行反復水洗和超聲以去除雜質，再將其轉移到60℃的烘箱中烘干10小時，得到純凈的石墨烯。

所述的堿性電解液為NaOH水溶液、KOH水溶液、氨水或它們中任何幾種的混合液，所述的堿性電解液中電解質的濃度為1-10mol/L。

所述的石墨電極的形狀為棒狀、帶狀或片狀。

所述的石墨電極為高純石墨紙或高純石墨棒。

所述的惰性金屬電極為銅、銀、鉑、金、鈦、鉛或它們中的任何幾種的合金。

一種石墨烯，由上述基于堿性電解液的石墨烯制備方法制備得到。

上述石墨烯在化工領域的應用。

本發明具有以下優點和有益效果：

(1)本發明制備的石墨烯，剝離效果明顯，產物純凈，結構完整。

(2)與現有制備方法相比，該電解液采用堿性體系，制備過程中不涉及任何污染物質的參與和產生，是一種綠色環保、快速高效的制備方法，為石墨烯的大批量工業化生產提供了一種新方法和新思路，具有重要和廣闊的應用價值。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中石墨烯產物在低倍下的掃描電鏡(SEM)圖。

圖2為本發明實施例1中石墨烯產物在高倍下的掃描電鏡(SEM)圖。

圖3為本發明實施例1中石墨烯產物在低倍下的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖。

圖4為本發明實施例1中石墨烯產物在高倍下的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步闡述，但并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之內。

實施例1

以1mol/L的NaOH水溶液作為電解液，以普通商用的高純石墨紙(奧宇，I級，含碳量≥99％)作為陽極，以尺寸為1mm*2mm的鉑片作為陰極。將上述陰極和陽極以50mm的間距平行插入到電解液中，再施以3.5V的正向直流電壓，開始電化學剝離。石墨紙電極在電解離子和電場的作用下，片層結構打開，逐漸裂解為薄層石墨烯。待通電1小時后，剝離過程完成，將浮在溶液上方的反應產物通過抽濾收集起來，對其進行反復地水洗和超聲以去除雜質，再轉移到60℃的烘箱中烘干10小時，最終得到純凈的石墨烯產物。

由圖1和圖2可以看出，制備得到的石墨烯邊緣卷曲、褶皺明顯，具有典型的石墨烯形貌。由圖3和圖4可以看出，石墨烯呈現出蓬松而透明的薄紗狀；高分辨透射電鏡(HRTEM)圖片顯示，該石墨烯樣品的層數為兩層。

實施例2

以6mol/L的KOH水溶液作為電解液，以普通商用的高純石墨棒(奧宇，直徑為10mm，含碳量≥99％)作為陽極，以鉑電極作為陰極。將上述陰極和陽極以25mm的間距平行插入到電解液中，再施以5V的正向直流電壓，開始電化學剝離。石墨電極在電解離子和電場的作用下，片層結構打開，逐漸裂解為薄層石墨烯。待通電3小時，剝離過程完成，將浮在溶液上方的反應產物通過抽濾收集起來，對其進行反復地水洗和超聲以去除雜質，再轉移到60℃的烘箱中烘干10小時，最終得到純凈的石墨烯產物。

實施例3

以10mol/L的氨水作為電解液，以普通商用的高純石墨紙(奧宇，I級，含碳量≥99％)作為陽極，以尺寸為2mm*2mm的鉑片作為陰極。將上述陰極和陽極以100mm的間距平行插入到電解液中，再施以10V的正向直流電壓，開始電化學剝離。石墨電極在電解離子和電場的作用下，片層結構打開，逐漸裂解為薄層石墨烯。待通電5小時后，剝離過程完成，將浮在溶液上方的反應產物通過抽濾收集起來，對其進行反復地水洗和超聲以去除雜質，再轉移到60℃的烘箱中烘干10小時，最終得到純凈的石墨烯產物。

實施例4

以1mol/L的NaOH/KOH(質量比1:1)混合水溶液為電解液，以普通商用的高純石墨紙(奧宇，I級，含碳量≥99％)作為陽極，以尺寸為1mm*2mm的鉑片作為陰極。將上述陰極和陽極以50mm的間距平行插入到電解液中，再施以3.5V的正向直流電壓，開始電化學剝離。石墨電極在電解離子和電場的作用下，片層結構打開，逐漸裂解為薄層石墨烯。待通電1.5小時后，剝離過程完成，將浮在溶液上方的反應產物通過抽濾收集起來，對其進行反復地水洗和超聲以去除雜質，再轉移到60℃的烘箱中烘干10小時，最終得到純凈的石墨烯產物。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。