【石墨回收】JPS：一种利用废旧锂离子电池废旧石墨制备石墨烯的方法—Xinfu Xie

【论文链接】

A method for the preparation of graphene from spent graphite of retired lithium-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.234023

【作者单位】

北京科技大学

【论文摘要】

废石墨的回收利用对锂离子产业的可持续发展具有重要意义。在本研究中，针对废石墨结构受损的问题，提出了一种改进的Hummers法结合热还原的方法来实现石墨烯的制备和废石墨中杂质的同时脱除。

结果表明，在制备氧化石墨烯时，废石墨与氧化剂(KMnO₄)的最佳质量比为1：3，此时氧化石墨烯的C/O和I_D/I_G值分别为1.99和1.52。氧化石墨烯中各种金属杂质的残留量均低于100 ppm，且除杂效果优于相同酸用量的酸浸法。经过热还原后，成功地制备出了具有无序少层结构的还原氧化石墨烯。结果表明，以废石墨为原料制备石墨烯在成本上优于商品石墨，加工1吨废石墨可获得52651.4美元的利润。

本研究可实现废石墨的多元化、高效利用，具有广阔的工业应用前景。

【实验方法】

详细的实验流程如图1所示。将装有20毫升浓硫酸的烧杯放入冰水浴中。加入1g废石墨和一定量的高锰酸钾(1、1.5、2、3、4、5g)，恒速搅拌2 h，应特别注意高锰酸钾的使用和保护。然后放置烧杯，在35℃下搅拌30分钟。加入46mL去离子水，在90℃下搅拌30min。最后，加入140毫升去离子水和适量的过氧化氢，直到没有气泡产生。超声作用2 h后，过滤氧化石墨烯(GO)，用稀盐酸和去离子水洗涤至中性pH，干燥过夜。这些氧化石墨烯产物分别表示为GO-1、GO-1.5、GO-2、GO-3、GO-4和GO-5。特别是没有添加高锰酸钾，以比较该工艺在相同酸量和酸浸条件下的除杂效果，最终产物记为PG。此外，使用商品石墨在1.5 g高锰酸钾下进行了对照实验，氧化石墨烯被记录为CGO-1.5。

根据后续表征的结果，选择GO-3进行后续还原。取适量的氧化石墨烯，在500℃的管式炉中，在Ar气氛中热还原4h，得到还原的氧化石墨烯。在整个氧化还原阶段发生的反应如图S6所示。最后，将萃取液和洗涤水返回正价金属萃取液。为了保证实验的准确性，每个实验都重复了三次。

【图文摘取】

【主要结论】

本研究根据废石墨的特殊结构特点，提出了一种改进的Hummers法结合热还原法，继续破坏其结构制备石墨烯，而不是进行耗能且不经济的再生。

结果表明，废石墨与氧化剂（KMnO₄）的最佳质量比为1:3，在此条件下氧化石墨烯产品的C/O和I_D/I_G值分别为1.99和1.52。氧化石墨烯中各种金属杂质残留含量均低于100ppm，杂质去除效率优于相同酸用量的酸浸法。由于废石墨的结构缺陷，所需KMnO₄的量也比商业石墨少。然后通过热还原成功制备了具有无序少层结构的还原氧化石墨烯。结果表明，废石墨作为制备石墨烯的原料在成本上优于商业石墨，加工一吨废石墨可产生利润52,651.4美元。

最后，该工艺在工业化方面具有广阔的应用前景，可以经济地实现多种类型废石墨的高值再生。