一種基於電泳原理的氧化石墨烯的分離方法
2023-10-07 03:05:49 3
專利名稱：一種基於電泳原理的氧化石墨烯的分離方法
技術領域：
本發明屬於納米材料技術領域，具體涉及一種氧化石墨烯的分離方法。
背景技術：
石墨烯，一種真正意義上的二維碳基材料，性能優異，成本低廉。被視為單層納米管與單晶矽的潛在替代物，在納米電子器件、複合材料、氣敏組件、超級電容器、鋰離子電池以及藥物交換等領域具有應用潛力。然而，將石墨烯投入應用的前提是，能製備出大量的具有特定尺寸大小與層厚的石墨烯片層。不同的尺寸大小的石墨烯的應用領域不同，例如雙層石墨烯可以作為製造光電子設備與微處理器的材料；單層的、具有特定尺寸(一般小於 20納米)，並具有充分官能化表面的石墨烯衍生物可應用於細胞成像和藥物交換領域。另外，由於石墨烯的性能與其結構參數是密切相關的，所以多分散性的石墨烯，因其不可控性，將無法投入到生產應用。因此，在石墨烯的生產應用中，能有效獲取特定的結構參數的石墨烯的分離工藝顯得尤為重要。然而，目前針對石墨烯的分離方法比較少，只有離心分離方法。雖然密度梯度離心方法已被證實可用於石墨烯及其衍生物的各種分離需求，而且效果明顯，但是其同樣存在較大的不足和局限性。密度梯度離心分離，必須要在分離之前製備出分離介質層，引入了分離介質本身這個「雜質」的同時，還要加入一定量的表面活性劑以避免團聚；增加了分離成本的同時，也增加了分離產物的不確定性，甚至表面活性劑本身就有可能對分理處的樣品產生汙染與幹擾。另外，由於局限於離心分離設備以及能耗大等缺點，梯度離心分離方法不可用於量產的問題也突顯出來。本發明針對這些問題，設計了一種氧化石墨烯的新型分離方法。實驗結果表明，這種新型分離方法能按照氧化石墨烯片層的大小有效地將其分離開，同時也能分離得到單片層結構的氧化石墨烯。
發明內容
本發明的目的在於提供一種快速、高效、無損、節能、無汙染，且能實現量化分離的氧化石墨烯的分離方法。本發明方法採用的電泳分離裝置包括玻璃分離槽、直流電源、銅片電極三部分。所述的玻璃分離槽高度為50 500毫米，長度為100 1000毫米，寬度為40 400毫米，玻璃厚度為5 20毫米；
所述的直流電源的電壓為30伏特；
所述的銅片電極，高度為100 700毫米，寬度為40 400毫米，厚度為1 5毫米。本發明提供的氧化石墨烯的分離方法，是基於電泳原理，即採用電泳分離裝置，分離的具體步驟如下
(1)氧化石墨烯水溶液的製備稱取50 1000毫克的氧化石墨放入廣口瓶，加入 100 2000毫升去離子水和磁性攪拌子，攪拌30 60分鐘，轉速為每分鐘100 1000轉；將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，並放入到超聲清洗機中進行超聲剝離10 60分鐘，超聲功率為300 1000瓦，然後室溫冷卻2 20分鐘，再進行超聲10 60分鐘， 重複2 5次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而製得氧化石墨烯水溶液。(2)電泳分離過程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然後將100 1000毫升去離子水加入到玻璃分離槽中，再將銅片電極插入到玻璃分離槽內兩端，並將銅片電極分別接入到直流電源正負極。用移液管取2 10毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分離槽的中部緩慢加入；打開直流電源，調節電壓為30伏特，開始電泳分離；當有棕色的氧化石墨烯到達正極處時，用移液管分別在近正電極處和遠正電極處取樣，即為分離後的氧化石墨烯。本新型氧化石墨烯的分離方法，與現有分離技術相比，具有如下優點
(1)本方法直接將電能產生的電場力對氧化石墨烯進行分離，對能量的利用率極高，節能環保；
(2)本分離方法中的分離介質為去離子水，成本低廉，易得；
(3)本分離方法進行分離，分離前後，氧化石墨烯都是分散於去離子水中，不帶入雜質， 無須提純可直接進行利用，大大提高了分離效率；
(4)本分離方法的分離原理決定了本法所涉及的試驗裝置可大型化，只需調節分離電壓，即可將量化，大規模化分離；
(5)本分離方法使得氧化石墨烯的分離過程直觀可見，同時也可以中斷分離過程進行取樣後再繼續分離；
(6)裝置簡單、設備投資少，原料成本低廉易得，操作容易，重現性好。
圖1實施例1的原子力顯微鏡照片。圖2實施例1的氧化石墨烯片橫向尺寸統計分析結果。圖3實施例1的氧化石墨烯片厚度統計分析結果。圖4實施例2的原子力顯微鏡照片。圖5實施例2的氧化石墨烯片橫向尺寸統計分析結果。圖6實施例2的氧化石墨烯片厚度統計分析結果。圖中標號1、直流電源；2、玻璃分離槽；3、銅片電極；4、加樣器(移液管)。
具體實施例方式下面通過實施例進一步說明本發明。實施例1 採用本發明分離25微米粒徑氧化石墨製備的氧化石墨烯
(1)氧化石墨烯水溶液的製備稱取50毫克的25微米粒徑氧化石墨放入廣口瓶，加入 100毫升去離子水和磁性攪拌子，攪拌30分鐘，轉速為每分鐘200轉；將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，並放入到超聲清洗機中進行超聲剝離20分鐘，功率為600瓦，然後室溫冷卻5分鐘，再進行超聲20分鐘，重複3次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而製得氧化石墨烯水溶液，記為樣品A (Sample_A)0(2)電泳分離過程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然後將400毫升去離子水加入到玻璃分離槽中，再將銅片電極插入到玻璃分離槽內兩端，並將銅片電極分別接入到直流電源正負極。用移液管取;Γ4毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分離槽的中部緩慢加入； 打開直流電源，調節電壓為30伏特，開始電泳分離；當有棕色的氧化石墨烯到達正極處時， 用移液管分別在近正電極處取樣，記為樣品B (Sample_B)，和遠正電極處取樣，記為樣品C (Sample—C)。(3)分離結果分析採用原子力顯微鏡對分離前後的氧化石墨烯樣品進行測試，如圖1所示。對氧化石墨烯片層的寬度和厚度進行統計分析，結果如圖2和3所示。橫坐標為氧化石墨烯的橫向尺寸或厚度，縱坐標為相應的片層數。圖中A、B、C分別為分離前樣品 A (Sample_A)，以及分離後樣品B (Sample_B)和樣品C (Sample_C)。由圖可知，樣品A中片層橫向尺寸在8(Γ1000納米之間，分布範圍較寬；樣品B的橫向尺寸分布在23(Γ2000納米之間，主要集中在30(Γ700納米之間，極少數尺寸大於700納米；樣品C的橫向尺寸分布在9(Γ750納米之間，主要集中在10(Γ300納米之間。上述統計結果說明，本文提出的分離方法，可以將原樣品中橫向尺寸分布範圍較廣的氧化石墨烯片層進行細分，且接近正電極處的片層的橫向尺寸分布範圍較窄，基本達到了獲取單分散氧化石墨烯的目的。在厚度方面，未經分離的樣品A的片層厚度分布在0. 68飛納米，主要集中在0. 68^2納米之間，即原樣品中的片層是單層結構和多層結構混合在一起的。經分離後的近電極處的樣品C的片層厚度分布在0. 67^1. 4納米之間，其中99%集中在0. 67^1. 1納米之間，即大部分都是單層結構的。實施例2 採用本發明分離140微米粒徑氧化石墨製備的氧化石墨烯
(1)氧化石墨烯水溶液的製備稱取50毫克的140微米粒徑氧化石墨放入廣口瓶，加入100毫升去離子水和磁性攪拌子，攪拌30分鐘，轉速為每分鐘200轉；將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，並放入到超聲清洗機中進行超聲剝離20分鐘，功率為600瓦，然後室溫冷卻5分鐘，再進行超聲20分鐘，重複3次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而製得氧化石墨烯水溶液，記為樣品D (Sample_D)0(2)電泳分離過程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然後將400毫升去離子水加入到玻璃分離槽中，再將銅片電極插入到玻璃分離槽內兩端，並將銅片電極分別接入到直流電源正負極。用移液管取3、毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分離槽的中部緩慢加入； 打開直流電源，調節電壓為30伏特，開始電泳分離；當有棕色的氧化石墨烯到達正極處時， 用移液管分別在近正電極處取樣，記為樣品E (Sample_E)，和遠正電極處取樣，記為樣品F (Sample_F)。(3)分離結果分析採用原子力顯微鏡對分離前後的氧化石墨烯樣品進行測試，如圖4所示。對氧化石墨烯片層的寬度和厚度進行統計分析，結果如圖5和6所示。橫坐標為氧化石墨烯的橫向尺寸或厚度，縱坐標為相應的片層數。圖中D、E、F分別為分離前樣品 D (Sample_D)，以及分離後樣品E (Sample_E)和樣品F (Sample_F)。由圖可知，樣品D中片層橫向尺寸在7(Γ1700納米之間，分布範圍較寬；樣品E的橫向尺寸分布在31(Γ1700納米之間，主要集中在50(Γ1400納米之間；樣品F的橫向尺寸分布在7(Γ860納米之間，主要集中在10(Γ500納米之間。上述統計結果說明，本文提出的分離方法，可以將原樣品中橫向尺寸分布範圍較廣的氧化石墨烯片層進行細分，且接近正電極處的片層橫向尺寸分布範圍較窄，基本達到了獲取單分散氧化石墨烯的目的。在厚度方面，未經分離的樣品D的片層厚度分布在0. 67^2納米，主要集中在0. 67^1. 6納米之間，即原樣品中的片層是單層結構和多
5層結構混合在一起的。經分離後的近電極處的樣品F的片層厚度分布在0. 67^1. 2納米之間，其中99%集中在0. 67、. 9納米之間，即大部分都是單層結構的。
權利要求
1.一種基於電泳原理的氧化石墨烯的分離方法，其特徵在於具體步驟為(1)氧化石墨烯水溶液的製備稱取50 1000毫克的氧化石墨放入廣口瓶，加入 100 2000毫升去離子水和磁性攪拌子，攪拌30 60分鐘，轉速為每分鐘100 1000轉； 將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，並放入到超聲清洗機中進行超聲剝離10 60分鐘，超聲功率為300 1000瓦，然後室溫冷卻2 20分鐘，再進行超聲10 60分鐘， 重複2 5次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而製得氧化石墨烯水溶液；(2)電泳分離過程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然後將100 1000毫升去離子水加入到玻璃分離槽中，再將銅片電極插入到玻璃分離槽內兩端，並將銅片電極分別接入到直流電源正負極；用移液管取2 10毫升氧化石墨烯水溶液，在玻璃分離槽的中部緩慢加入；打開直流電源，調節電壓為30伏特，開始電泳分離；當有棕色的氧化石墨烯到達正極處時，用移液管分別在近正電極處和遠正電極處取樣，即為分離後的氧化石墨烯。
2.根據權利要求1所述的分離方法，其特徵在於所述的玻璃分離槽，其高度為50 500毫米，長度為100 1000毫米，寬度為40 400毫米，玻璃厚度為5 20毫米。
3.根據權利要求1所述的分離方法，其特徵在於所述的銅片電極，其高度為100 700 毫米，寬度為40 400毫米，厚度為1 5毫米。
全文摘要
本發明屬於納米材料技術領域，具體為一種基於電泳原理的氧化石墨烯的分離方法。本發明採用的電泳分離裝置包括玻璃分離槽、直流電源、銅片電極三部分。分離步驟包括氧化石墨烯水溶液的製備將氧化石墨和離子水和磁性攪拌子混和，攪拌；再放入超聲清洗機中超聲剝離，重複2～5次，製得氧化石墨烯水溶液；電泳分離將銅片電極插入到放有離子水的玻璃分離槽內兩端；取氧化石墨烯水溶液緩慢加入；開始電泳分離，當有棕色的氧化石墨烯到達正極處時，分別在近正電極處和遠正電極處取樣，即得分離後的氧化石墨烯。本發明使用裝置簡單、設備投資少，原料成本低廉易得，操作容易，重現性好。而且快速、高效、無損、節能、無汙染，並能實現量化分離。
文檔編號B01D57/02GK102179172SQ201110103670
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月25日 優先權日2011年4月25日
發明者張東, 蘇欽 申請人:同濟大學