废弃石墨粉制备石墨烯

赵春宝

【摘 要】以工厂组装锂电池过程产生的废弃石墨粉为原料，采用Hummers氧化法和水合肼还原法成功制备了石墨烯，通过FT-IR和XRD对其进行了表征，并对其电导率进行了测试。结果表明：该类石墨烯电导率为0.30 S/M。

【关键词】锂电池；石墨粉；石墨烯

锂电池以其高比能量、高比功率、长寿命、安全性能好及环境友好等优点，被广泛的应用于电子、通讯、航天汽车等领域，形成了巨大市场规模。然而，锂电池在工厂组装过程中会产生大量电极片的边角料，如果处理不当，会造成了环境污染和资源浪费。目前对这些边角料的回收主要集中在贵金属上，而其中的石墨粉往往被遗弃。石墨烯是一种新型的二维平面纳米材料，具有优良的电学、光学、机械以及导热等性能，在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有极大的应用潜力[1]。近几年科研人员对石墨烯制备和应用进行了大量卓有成效的研究，然而以工厂组装锂电池过程产生的废弃石墨粉为原料制备石墨烯的研究却鲜有报道。为此，本文以该类废弃石墨粉为原料，通过Hummers氧化还原法制备了石墨烯，并对其进行了表征和导电性测试，为其回收再利用提供了一些有价值参考。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器

废弃石墨粉（中航锂电提供），浓H2SO4，NaNO3，KMnO4，H2O2，H6N2O，HNO3。D2 Phaser X射线衍射仪； Nicolet iS50傅立叶红外光谱仪。

1.2 石墨烯的制备

1.2.1 石墨粉的回收

分别用5%的HNO3和30%的NaOH浸泡废弃石墨粉24h，除去残留的金属等杂质，然后500℃的恒温煅烧1h，除去残留有机物粘合剂，得到净化石墨粉，标记为TXG。

1.2.2 氧化石墨制备

在圆底烧瓶中加入68.0mL浓H2SO4和1.5g NaNO3，冰水浴中搅拌10min，然后加入2.0gTXG和缓慢加入10gKMnO4（温度保持T≤20℃），繼续搅拌0.5h；转入35℃油浴，恒温搅拌2h，然后缓慢加入100mL去离子水（温度保持T≤98℃）；转入98℃油浴，恒温搅拌30min，降温后依次加入8mL30% H2O2和200 mL去离子水，然后离心分离，并用5%盐酸洗涤沉淀物除去SO42-和用去离子洗涤沉淀物至上清液PH=7，最后冷冻干燥得到黄色固体，标记为GO。

1.2.3 石墨烯制备

在烧瓶中加入0.5gGO和400mL去离子水，超声分散2h，然后4000r/min离心10min，取上清液，并加入10.05g H6N2O，100℃回流24h后，抽滤，去离子水洗涤后，40℃真空干燥24h，得到黑色粉末。标记rG。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯的红外光谱分析

从图1A中可以看出TXG几乎无红外吸收峰。从图1B可以看出，经过氧化得到的GO在3405、1727、1619、1402、1225、1052cm-1上出现了吸收峰，分别对应羟基振动吸收峰、羰基伸缩振动吸收峰、吸附水分子的变形振动峰、羟基变形吸收峰、环氧基的伸缩振动峰和烷氧基的伸缩振动峰，证明TXG上已经成功引入了大量含氧官能团。对比图1B和图1C可以看出，GO和H6N2O反应后，GO 上含氧官能团的吸收峰几乎消失或强度明显减弱，这说明GO中大部分含氧基团被移除，GO被还原。

2.2 X-射线衍射分析

从图2A中可以看出，TXG在2θ=26.4°出现了有一个很强很尖锐的衍射峰，对应石墨典型（002）衍射峰[2]；对比图2B和图2A中可以看出，图2B中2θ=26.4°衍射峰消失，在2θ=11.6°左右出现一个较宽的衍射峰，其为GO的特征衍射峰[2]，这是由于TXG经氧化后在石墨片层及层边缘生成了羟基、环氧基、羧基和羰基等基团使石墨层与层之间的距离变大造成的[3]，说明成功制备出了GO。对比图2C和图2B中可以看出，GO经还原后在2θ=11.6°特征衍射峰消失，在2θ=24.6°左右出现一个新的宽衍射峰，这是由于GO还原得到rG重新堆砌造成的。rG出峰位置小于TXG的（002）衍射峰且峰形较宽，说明还原后的rG在堆砌的过程中并不是非常有序和可能存在着大量的rG单片[3]。

2.3 导电性的测定

利用压片机将rG粉末压片和用游标卡尺测量rG片厚度，在用数字万用表测rG片电阻，并根据公式G=1/ρ和ρ=RS/L（ρ， S， R 和L分别为电阻率Ω·m，横截面积m2， 电阻Ω和导体长度m） 测算，rG电导率为0.30 S/M。

3 结论

以工厂组装锂电池过程产生的废石墨粉为原料，采用Hummers氧化还原法成功制备了石墨烯，并对其进行了表征和导电性进行了测定。结果表明：该类石墨烯电导率为0.30S/M，表现良好的导电性。这一工作有望为完善锂电池工厂电极片的边角料回收体系提供新的思路和途径。

【参考文献】

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

[2]杨丽坤，蒲明峰.太西无烟煤基石墨制备石墨烯的研究[J].煤炭加工与综合利用，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.

[责任编辑：朱丽娜]endprint