專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于電泳原理的氧化石墨烯的分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯的分離方法。
背景技術(shù)：
石墨烯，一種真正意義上的二維碳基材料，性能優(yōu)異，成本低廉。被視為單層納米管與單晶硅的潛在替代物，在納米電子器件、復(fù)合材料、氣敏組件、超級(jí)電容器、鋰離子電池以及藥物交換等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而，將石墨烯投入應(yīng)用的前提是，能制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(yīng)用領(lǐng)域不同，例如雙層石墨烯可以作為制造光電子設(shè)備與微處理器的材料；單層的、具有特定尺寸(一般小于 20納米)，并具有充分官能化表面的石墨烯衍生物可應(yīng)用于細(xì)胞成像和藥物交換領(lǐng)域。另外，由于石墨烯的性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)是密切相關(guān)的，所以多分散性的石墨烯，因其不可控性，將無(wú)法投入到生產(chǎn)應(yīng)用。因此，在石墨烯的生產(chǎn)應(yīng)用中，能有效獲取特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)的石墨烯的分離工藝顯得尤為重要。然而，目前針對(duì)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(shí)可用于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，必須要在分離之前制備出分離介質(zhì)層，引入了分離介質(zhì)本身這個(gè)“雜質(zhì)”的同時(shí)，還要加入一定量的表面活性劑以避免團(tuán)聚；增加了分離成本的同時(shí)，也增加了分離產(chǎn)物的不確定性，甚至表面活性劑本身就有可能對(duì)分理處的樣品產(chǎn)生污染與干擾。另外，由于局限于離心分離設(shè)備以及能耗大等缺點(diǎn)，梯度離心分離方法不可用于量產(chǎn)的問(wèn)題也突顯出來(lái)。本發(fā)明針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種氧化石墨烯的新型分離方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(kāi)，同時(shí)也能分離得到單片層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種快速、高效、無(wú)損、節(jié)能、無(wú)污染，且能實(shí)現(xiàn)量化分離的氧化石墨烯的分離方法。本發(fā)明方法采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(zhǎng)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(fā)明提供的氧化石墨烯的分離方法，是基于電泳原理，即采用電泳分離裝置，分離的具體步驟如下
(1)氧化石墨烯水溶液的制備稱(chēng)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(zhuǎn)速為每分鐘100 1000轉(zhuǎn)；將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，并放入到超聲清洗機(jī)中進(jìn)行超聲剝離10 60分鐘，超聲功率為300 1000瓦，然后室溫冷卻2 20分鐘，再進(jìn)行超聲10 60分鐘， 重復(fù)2 5次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而制得氧化石墨烯水溶液。(2)電泳分離過(guò)程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然后將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(nèi)兩端，并將銅片電極分別接入到直流電源正負(fù)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(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)電壓為30伏特，開(kāi)始電泳分離；當(dāng)有棕色的氧化石墨烯到達(dá)正極處時(shí)，用移液管分別在近正電極處和遠(yuǎn)正電極處取樣，即為分離后的氧化石墨烯。本新型氧化石墨烯的分離方法，與現(xiàn)有分離技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)本方法直接將電能產(chǎn)生的電場(chǎng)力對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行分離，對(duì)能量的利用率極高，節(jié)能環(huán)保；
(2)本分離方法中的分離介質(zhì)為去離子水，成本低廉，易得；
(3)本分離方法進(jìn)行分離，分離前后，氧化石墨烯都是分散于去離子水中，不帶入雜質(zhì)， 無(wú)須提純可直接進(jìn)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(yàn)裝置可大型化，只需調(diào)節(jié)分離電壓，即可將量化，大規(guī)?；蛛x；
(5)本分離方法使得氧化石墨烯的分離過(guò)程直觀可見(jiàn)，同時(shí)也可以中斷分離過(guò)程進(jìn)行取樣后再繼續(xù)分離；
(6)裝置簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少，原料成本低廉易得，操作容易，重現(xiàn)性好。


圖1實(shí)施例1的原子力顯微鏡照片。圖2實(shí)施例1的氧化石墨烯片橫向尺寸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。圖3實(shí)施例1的氧化石墨烯片厚度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。圖4實(shí)施例2的原子力顯微鏡照片。圖5實(shí)施例2的氧化石墨烯片橫向尺寸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。圖6實(shí)施例2的氧化石墨烯片厚度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。圖中標(biāo)號(hào)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(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1 采用本發(fā)明分離25微米粒徑氧化石墨制備的氧化石墨烯
(1)氧化石墨烯水溶液的制備稱(chēng)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(zhuǎn)速為每分鐘200轉(zhuǎn)；將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，并放入到超聲清洗機(jī)中進(jìn)行超聲剝離20分鐘，功率為600瓦，然后室溫冷卻5分鐘，再進(jìn)行超聲20分鐘，重復(fù)3次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而制得氧化石墨烯水溶液，記為樣品A (Sample_A)0(2)電泳分離過(guò)程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然后將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(nèi)兩端，并將銅片電極分別接入到直流電源正負(fù)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(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)電壓為30伏特，開(kāi)始電泳分離；當(dāng)有棕色的氧化石墨烯到達(dá)正極處時(shí)， 用移液管分別在近正電極處取樣，記為樣品B (Sample_B)，和遠(yuǎn)正電極處取樣，記為樣品C (Sample—C)。(3)分離結(jié)果分析采用原子力顯微鏡對(duì)分離前后的氧化石墨烯樣品進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。對(duì)氧化石墨烯片層的寬度和厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2和3所示。橫坐標(biāo)為氧化石墨烯的橫向尺寸或厚度，縱坐標(biāo)為相應(yīng)的片層數(shù)。圖中A、B、C分別為分離前樣品 A (Sample_A)，以及分離后樣品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，分布范圍較寬；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(shù)尺寸大于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(tǒng)計(jì)結(jié)果說(shuō)明，本文提出的分離方法，可以將原樣品中橫向尺寸分布范圍較廣的氧化石墨烯片層進(jìn)行細(xì)分，且接近正電極處的片層的橫向尺寸分布范圍較窄，基本達(dá)到了獲取單分散氧化石墨烯的目的。在厚度方面，未經(jīng)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(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)混合在一起的。經(jīng)分離后的近電極處的樣品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(jié)構(gòu)的。實(shí)施例2 采用本發(fā)明分離140微米粒徑氧化石墨制備的氧化石墨烯
(1)氧化石墨烯水溶液的制備稱(chēng)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(zhuǎn)速為每分鐘200轉(zhuǎn)；將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，并放入到超聲清洗機(jī)中進(jìn)行超聲剝離20分鐘，功率為600瓦，然后室溫冷卻5分鐘，再進(jìn)行超聲20分鐘，重復(fù)3次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而制得氧化石墨烯水溶液，記為樣品D (Sample_D)0(2)電泳分離過(guò)程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然后將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(nèi)兩端，并將銅片電極分別接入到直流電源正負(fù)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(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)電壓為30伏特，開(kāi)始電泳分離；當(dāng)有棕色的氧化石墨烯到達(dá)正極處時(shí)， 用移液管分別在近正電極處取樣，記為樣品E (Sample_E)，和遠(yuǎn)正電極處取樣，記為樣品F (Sample_F)。(3)分離結(jié)果分析采用原子力顯微鏡對(duì)分離前后的氧化石墨烯樣品進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。對(duì)氧化石墨烯片層的寬度和厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5和6所示。橫坐標(biāo)為氧化石墨烯的橫向尺寸或厚度，縱坐標(biāo)為相應(yīng)的片層數(shù)。圖中D、E、F分別為分離前樣品 D (Sample_D)，以及分離后樣品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，分布范圍較寬；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(tǒng)計(jì)結(jié)果說(shuō)明，本文提出的分離方法，可以將原樣品中橫向尺寸分布范圍較廣的氧化石墨烯片層進(jìn)行細(xì)分，且接近正電極處的片層橫向尺寸分布范圍較窄，基本達(dá)到了獲取單分散氧化石墨烯的目的。在厚度方面，未經(jīng)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(jié)構(gòu)和多
5層結(jié)構(gòu)混合在一起的。經(jīng)分離后的近電極處的樣品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(jié)構(gòu)的。
權(quán)利要求
1.一種基于電泳原理的氧化石墨烯的分離方法，其特征在于具體步驟為(1)氧化石墨烯水溶液的制備稱(chēng)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(zhuǎn)速為每分鐘100 1000轉(zhuǎn)； 將充分分散的氧化石墨懸濁液裝入廣口瓶中，并放入到超聲清洗機(jī)中進(jìn)行超聲剝離10 60分鐘，超聲功率為300 1000瓦，然后室溫冷卻2 20分鐘，再進(jìn)行超聲10 60分鐘， 重復(fù)2 5次，使氧化石墨充分剝離成氧化石墨烯；從而制得氧化石墨烯水溶液；(2)電泳分離過(guò)程首先清洗玻璃分離槽和銅片電極，然后將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(nèi)兩端，并將銅片電極分別接入到直流電源正負(fù)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(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)電壓為30伏特，開(kāi)始電泳分離；當(dāng)有棕色的氧化石墨烯到達(dá)正極處時(shí)，用移液管分別在近正電極處和遠(yuǎn)正電極處取樣，即為分離后的氧化石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離方法，其特征在于所述的玻璃分離槽，其高度為50 500毫米，長(zhǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的分離方法，其特征在于所述的銅片電極，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(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于電泳原理的氧化石墨烯的分離方法。本發(fā)明采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制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(jī)中超聲剝離，重復(fù)2～5次，制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(nèi)兩端；取氧化石墨烯水溶液緩慢加入；開(kāi)始電泳分離，當(dāng)有棕色的氧化石墨烯到達(dá)正極處時(shí)，分別在近正電極處和遠(yuǎn)正電極處取樣，即得分離后的氧化石墨烯。本發(fā)明使用裝置簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少，原料成本低廉易得，操作容易，重現(xiàn)性好。而且快速、高效、無(wú)損、節(jié)能、無(wú)污染，并能實(shí)現(xiàn)量化分離。
文檔編號(hào)B01D57/02GK102179172SQ201110103670
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月25日
發(fā)明者張東, 蘇欽 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)