本發(fā)明屬于新型納米材料領域，尤其是一種制備石墨烯材料聯(lián)產氫氣的方法。

背景技術：

石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異的物理化學性質，如石墨烯的強度是已測試材料中最高的，達130GPa是鋼的100多倍；其載流子遷移率達1.5x 10⁴cm2·V^-1·S^-1，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的2倍，超過商用硅片遷移率的10倍；石墨烯的熱導率可達5x10³W·m^-1·K^-1，是金剛石的3倍；另外，石墨烯還具有室溫量子霍爾效應及室溫鐵磁性等特殊性質。如何快速高效的制備出較高質量的石墨烯并能夠方便應用是人們探索這一新型功能材料的重點方向。

最初石墨烯是通過機械方法，膠帶從石墨塊體上撕裂發(fā)現(xiàn)存在的，不斷地延伸出很多制備石墨烯的方法。包括機械剝離法、氧化—還原法、化學氣相沉積法等等方法。但目前存在的方法都有各自的缺點。

電解水的反應是一種氧化還原反應，而且電解過程中使石墨片發(fā)生剝離產生石墨烯的同時還可以產生副產物氫氣。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對以上現(xiàn)有技術的缺點，采用電化學的方法結合超聲離心等處理手段，提供一種制備石墨烯材料聯(lián)產氫氣的方法。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術方案如下：

一種制備石墨烯材料聯(lián)產氫氣的方法，包括以下步驟：

(1)將石墨在壓片磨具中壓片制成厚2mm的電極，壓力為15～30Mpa，加壓時間為10～20min；

(2)將石墨電極做正極、鉑電極做負極在電解液中電解；其中電解液為98％濃硫酸與去離子水的混合溶液，混合溶液的pH＝1～3；電解時電極間距2～4cm，先加1～2V的電壓30min，使SO₄^2-充分插入石墨片中，之后使用5～10V恒壓電解；

(3)電解時，鉑電極產生氫氣，石墨電極上石墨快速剝落，電解液呈黑色渾濁狀態(tài)；使用濾膜抽濾電解液并使用去離子水洗凈殘留的SO₄^2-；

(4)取抽濾后得到的黑色固體，使用分散劑超聲處理0.5～1h，離心處理5～10min，離心轉速2000～3000r/min，然后取上層液體即得到石墨烯。

作為優(yōu)選方式，所述石墨為鱗片石墨或膨脹石墨。

使用鱗片石墨制備的石墨烯尺寸與鱗片石墨片尺寸近似，可以通過控制石墨片大小大致控制產出石墨烯大??；使用膨脹石墨可以使SO₄^2-插入更加充分，可以加大石墨烯產出，而且可以使制備出的石墨烯碳原子層數可以達到5～7層。

作為優(yōu)選方式，所述分散劑為NMP、PVP或DMF其中的一種。

作為優(yōu)選方式，壓制石墨壓片壓力為25Mpa，加壓時間為20min，壓片厚度為2mm。這樣壓制的石墨片相對緊密有利于SO₄^2-的插入及之后的電解過程，不會由于太過疏松而導致電極片剝落而降低石墨烯產量；也不會由于過于緊密而導致電解過程難以進行。

作為優(yōu)選方式，步驟(2)中電極間距為2cm，電解時先加2V電壓預反應30min，然后使用6.5V恒壓電解。使用低PH值的硫酸水溶液，可以使電解液中SO₄^2-、H⁺的濃度保持在較高水平，有利于石墨烯以及氫氣的產出；電極間距2cm有利于電解；2V預反應30分鐘可以使SO₄^2-充分滲透與石墨電極中；使用6.5V電解可以使電解剝離石墨烯達到一個最優(yōu)的反應速度，不會應為電壓過小而反應緩慢甚至停止，也不會因為電壓過大導致石墨脫落降低石墨烯產出率。

作為優(yōu)選方式，所述分散劑為NMP。NMP可以較好地分散石墨烯，而且NMP本生具有粘度低，化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，極性高，揮發(fā)性低，吸濕性高等優(yōu)點。

作為優(yōu)選方式，步驟(4)中超聲處理時間為30min，離心處理時間為10min，離心轉速為2500r/min。30min的超聲可以使石墨烯很好的分散與NMP中，利于后續(xù)處理；2500r/min離心轉速使分離石墨烯的最佳轉速，10min離心可以高效的將石墨烯與其他雜質分離。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明使用電解的方法制備石墨烯聯(lián)產制備氫氣，操作簡單成本低；使用鱗片石墨可以大致可控的制備出的石墨烯的尺寸，可以滿足工業(yè)上對不同尺寸石墨烯的要求；使用膨脹石墨制備的石墨烯產量更高，而且石墨烯的碳原子層數可以達到5～7層，可以滿足工業(yè)上需要低石墨層數石墨烯的要求；在制備出石墨烯的同時產出氫氣，氫氣產出速率大約為5～25ml/min，產出的氫氣可以作為燃料直接燃燒使用，也可以作為氫氧燃料電池的燃料氣體使用。

附圖說明

圖1為制備石墨烯的原理圖。

圖2為電解裝置。

圖3為鱗片石墨所制備的石墨烯SEM照片。

圖4為膨脹石墨所制備的石墨烯SEM照片。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

實施例1

一種制備石墨烯材料聯(lián)產氫氣的方法，包括以下步驟：

(1)將鱗片石墨在壓片磨具中壓片制成厚2mm的電極，壓力為15Mpa，加壓時間為10min；

(2)將石墨電極做正極、鉑電極做負極在電解液中電解；其中電解液為98％濃硫酸與去離子水的混合溶液，混合溶液的pH＝1～3；電解時電極間距3cm，先加1V的電壓30min，使SO₄^2-充分插入石墨片中，之后使用5V恒壓電解；

(3)電解時，鉑電極產生氫氣，石墨電極上石墨快速剝落，電解液呈黑色渾濁狀態(tài)；使用濾膜抽濾電解液并使用去離子水洗凈殘留的SO₄^2-；

(4)取抽濾后得到的黑色固體，使用分散劑NMP(N-甲基吡咯烷酮)超聲處理45min，離心處理5min，離心轉速2000r/min，然后取上層液體即得到石墨烯。

圖3為鱗片石墨所制備的石墨烯SEM照片；由SEM圖可看出其尺寸與原料鱗片石墨的尺寸相近，可以通過控制原料鱗片石墨的尺寸來制備出所要求尺寸的石墨烯。

實施例2

一種制備石墨烯材料聯(lián)產氫氣的方法，包括以下步驟：

(1)將膨脹石墨在壓片磨具中壓片制成厚2mm的電極，壓力為30Mpa，加壓時間為15min；

(2)將石墨電極做正極、鉑電極做負極在電解液中電解；其中電解液為98％濃硫酸與去離子水的混合溶液，混合溶液的pH＝1～3；電解時電極間距4cm，先加2V的電壓30min，使SO₄^2-充分插入石墨片中，之后使用10V恒壓電解；

(3)電解時，鉑電極產生氫氣，石墨電極上石墨快速剝落，電解液呈黑色渾濁狀態(tài)；使用濾膜抽濾電解液并使用去離子水洗凈殘留的SO₄^2-；

(4)取抽濾后得到的黑色固體，使用分散劑PVP(聚乙烯吡咯烷酮)超聲處理1h，離心處理8min，離心轉速3000r/min，然后取上層液體即得到石墨烯。

圖4為膨脹石墨所制備的石墨烯SEM照片；由SEM圖可看出所制備的石墨烯碳原子層數很低，尺存較大。

實施例3

一種制備石墨烯材料聯(lián)產氫氣的方法，包括以下步驟：

(1)將鱗片石墨在壓片磨具中壓片制成厚2mm的電極，壓力為25Mpa，加壓時間為20min；

(2)將石墨電極做正極、鉑電極做負極在電解液中電解；其中電解液為98％濃硫酸與去離子水的混合溶液，混合溶液的pH＝1～3；電解時電極間距2cm，先加2V的電壓30min，使SO₄^2-充分插入石墨片中，之后使用6.5V恒壓電解；

(3)電解時，鉑電極產生氫氣，石墨電極上石墨快速剝落，電解液呈黑色渾濁狀態(tài)；使用濾膜抽濾電解液并使用去離子水洗凈殘留的SO₄^2-；

(4)取抽濾后得到的黑色固體，使用分散劑DMF(二甲基亞砜)超聲處理0.5h，離心處理10min，離心轉速2500r/min，然后取上層液體即得到石墨烯。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。