廢棄石墨粉制備石墨烯

趙春寶

【摘 要】以工廠組裝鋰電池過程產(chǎn)生的廢棄石墨粉為原料，采用Hummers氧化法和水合肼還原法成功制備了石墨烯，通過FT-IR和XRD對其進行了表征，并對其電導(dǎo)率進行了測試。結(jié)果表明：該類石墨烯電導(dǎo)率為0.30 S/M。

【關(guān)鍵詞】鋰電池；石墨粉；石墨烯

鋰電池以其高比能量、高比功率、長壽命、安全性能好及環(huán)境友好等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于電子、通訊、航天汽車等領(lǐng)域，形成了巨大市場規(guī)模。然而，鋰電池在工廠組裝過程中會產(chǎn)生大量電極片的邊角料，如果處理不當(dāng)，會造成了環(huán)境污染和資源浪費。目前對這些邊角料的回收主要集中在貴金屬上，而其中的石墨粉往往被遺棄。石墨烯是一種新型的二維平面納米材料，具有優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)、機械以及導(dǎo)熱等性能，在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[1]。近幾年科研人員對石墨烯制備和應(yīng)用進行了大量卓有成效的研究，然而以工廠組裝鋰電池過程產(chǎn)生的廢棄石墨粉為原料制備石墨烯的研究卻鮮有報道。為此，本文以該類廢棄石墨粉為原料，通過Hummers氧化還原法制備了石墨烯，并對其進行了表征和導(dǎo)電性測試，為其回收再利用提供了一些有價值參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

廢棄石墨粉（中航鋰電提供），濃H2SO4，NaNO3，KMnO4，H2O2，H6N2O，HNO3。D2 Phaser X射線衍射儀； Nicolet iS50傅立葉紅外光譜儀。

1.2 石墨烯的制備

1.2.1 石墨粉的回收

分別用5%的HNO3和30%的NaOH浸泡廢棄石墨粉24h，除去殘留的金屬等雜質(zhì)，然后500℃的恒溫煅燒1h，除去殘留有機物粘合劑，得到凈化石墨粉，標(biāo)記為TXG。

1.2.2 氧化石墨制備

在圓底燒瓶中加入68.0mL濃H2SO4和1.5g NaNO3，冰水浴中攪拌10min，然后加入2.0gTXG和緩慢加入10gKMnO4（溫度保持T≤20℃），繼續(xù)攪拌0.5h；轉(zhuǎn)入35℃油浴，恒溫攪拌2h，然后緩慢加入100mL去離子水（溫度保持T≤98℃）；轉(zhuǎn)入98℃油浴，恒溫攪拌30min，降溫后依次加入8mL30% H2O2和200 mL去離子水，然后離心分離，并用5%鹽酸洗滌沉淀物除去SO42-和用去離子洗滌沉淀物至上清液PH=7，最后冷凍干燥得到黃色固體，標(biāo)記為GO。

1.2.3 石墨烯制備

在燒瓶中加入0.5gGO和400mL去離子水，超聲分散2h，然后4000r/min離心10min，取上清液，并加入10.05g H6N2O，100℃回流24h后，抽濾，去離子水洗滌后，40℃真空干燥24h，得到黑色粉末。標(biāo)記rG。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯的紅外光譜分析

從圖1A中可以看出TXG幾乎無紅外吸收峰。從圖1B可以看出，經(jīng)過氧化得到的GO在3405、1727、1619、1402、1225、1052cm-1上出現(xiàn)了吸收峰，分別對應(yīng)羥基振動吸收峰、羰基伸縮振動吸收峰、吸附水分子的變形振動峰、羥基變形吸收峰、環(huán)氧基的伸縮振動峰和烷氧基的伸縮振動峰，證明TXG上已經(jīng)成功引入了大量含氧官能團。對比圖1B和圖1C可以看出，GO和H6N2O反應(yīng)后，GO 上含氧官能團的吸收峰幾乎消失或強度明顯減弱，這說明GO中大部分含氧基團被移除，GO被還原。

2.2 X-射線衍射分析

從圖2A中可以看出，TXG在2θ=26.4°出現(xiàn)了有一個很強很尖銳的衍射峰，對應(yīng)石墨典型（002）衍射峰[2]；對比圖2B和圖2A中可以看出，圖2B中2θ=26.4°衍射峰消失，在2θ=11.6°左右出現(xiàn)一個較寬的衍射峰，其為GO的特征衍射峰[2]，這是由于TXG經(jīng)氧化后在石墨片層及層邊緣生成了羥基、環(huán)氧基、羧基和羰基等基團使石墨層與層之間的距離變大造成的[3]，說明成功制備出了GO。對比圖2C和圖2B中可以看出，GO經(jīng)還原后在2θ=11.6°特征衍射峰消失，在2θ=24.6°左右出現(xiàn)一個新的寬衍射峰，這是由于GO還原得到rG重新堆砌造成的。rG出峰位置小于TXG的（002）衍射峰且峰形較寬，說明還原后的rG在堆砌的過程中并不是非常有序和可能存在著大量的rG單片[3]。

2.3 導(dǎo)電性的測定

利用壓片機將rG粉末壓片和用游標(biāo)卡尺測量rG片厚度，在用數(shù)字萬用表測rG片電阻，并根據(jù)公式G=1/ρ和ρ=RS/L（ρ， S， R 和L分別為電阻率Ω·m，橫截面積m2， 電阻Ω和導(dǎo)體長度m） 測算，rG電導(dǎo)率為0.30 S/M。

3 結(jié)論

以工廠組裝鋰電池過程產(chǎn)生的廢石墨粉為原料，采用Hummers氧化還原法成功制備了石墨烯，并對其進行了表征和導(dǎo)電性進行了測定。結(jié)果表明：該類石墨烯電導(dǎo)率為0.30S/M，表現(xiàn)良好的導(dǎo)電性。這一工作有望為完善鋰電池工廠電極片的邊角料回收體系提供新的思路和途徑。

【參考文獻】

[1]Kim J，Kim F，Huang J.Seeing graphene-based sheets[J].Materialstoday，2010，13（3）：28-38.

[2]楊麗坤，蒲明峰.太西無煙煤基石墨制備石墨烯的研究[J].煤炭加工與綜合利用，2013，05：58-61.

[3]Marcano DC，Kosynkin DV，Berlin JM，etal.Improved synthesis of graphene oxide[J].Acs Nano.2010，4（8）：4806-4814.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint