[發(fā)明專利]一種中孔發(fā)達的高比表面石墨烯、及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210536420.2
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN102992313A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李璐;瞿研
• 申請（專利權(quán)）人: 常州第六元素材料科技股份有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種中孔發(fā)達的高比表面石墨烯、及其制備方法，具體涉及一種中孔發(fā)達的高比表面石墨烯、及其制備方法，特別涉及一種采用化學(xué)-物理聯(lián)合活化法制備中孔發(fā)達的高比表面石墨烯材料的方法，屬于石墨烯材料的制備及應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個碳原子厚度的二維材料，具有超大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性。這些良好的性質(zhì)使得基于石墨烯的材料成為一種理想的儲能材料，包括超級電容電極材料、鋰離子電池電極材料、儲氫材料、燃料電池用材料等。

目前，工業(yè)上制備高比表面活性石墨烯的方法多為化學(xué)活化法，即以活化劑如KOH、NaOH等對碳原料進行腐蝕從而形成豐富的孔結(jié)構(gòu)增加材料的比表面積，制備出高比表面活性石墨烯。該方法的化學(xué)活化反應(yīng)速度快，生產(chǎn)周期短，孔徑分布窄，但是化學(xué)活化法所使用的活化劑對設(shè)備腐蝕性大，成本高，且該方法所述的化學(xué)活化過程以生成微孔為主，不利于有機電解質(zhì)離子的遷移，進而影響石墨烯材料的導(dǎo)電性，限制了石墨烯的應(yīng)用，如影響超級電容器的功率特性。

CN102070140A公開了一種利用強堿和碳在高溫下的反應(yīng)，對熱處理或者微波輻照得到的石墨烯粉末進行進一步化學(xué)處理，從而快速的、大批量的在石墨烯表面腐蝕出納米量級的微孔，極大地提高其比表面積。但該發(fā)明選用的強堿試劑為配制的強堿水溶液，濃度為0.2-20mol/L，對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，操作步驟繁瑣，生產(chǎn)效率不高，且制備出的高比表面活性石墨烯大部分為微孔。

除化學(xué)活化外，傳統(tǒng)的制備多孔碳材料的方法還有物理活化法，物理活化通常是將原料先炭化除去其中的可揮發(fā)成分，生成富碳的固體熱解物，然后在水蒸氣、CO₂和空氣等氧化性氣體與含碳材料內(nèi)部的碳原子反應(yīng)，通過開孔、擴孔和創(chuàng)造新孔進而形成豐富的孔結(jié)構(gòu)。這些氧化性氣氛的存在，能極大地增加材料的比表面積和多孔性，從而增大材料的比電容。一般炭化溫度為400-600℃，活化溫度800-1000℃。物理活化法生產(chǎn)工藝簡單，不存在設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染等問題，但物理活化所選用的活化劑反應(yīng)活性相對較弱，難以在炭質(zhì)前驅(qū)體內(nèi)部形成發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，要制備高比表面的炭材料，活化時間需要長達上百小時。

由此，在高比表面石墨烯中，材料的孔徑對石墨烯的電學(xué)、化學(xué)等方面性能有著重要的影響，如何開發(fā)出一種成本較低，電容性能優(yōu)異，且更加適合電解質(zhì)離子遷移的高比表面石墨烯的制備方法，是本領(lǐng)域的一個亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

現(xiàn)有技術(shù)中，化學(xué)活化制備高比表面石墨烯的過程是以生成微孔為主，本發(fā)明為了形成更加適合電解質(zhì)離子遷移的孔結(jié)構(gòu)，將化學(xué)活化與物理活化兩種方法有效地結(jié)合起來，希望能夠制備出比表面積大且孔徑分布合理的高比表面石墨烯材料，并且可以大幅減少活化劑的使用量，降低生產(chǎn)成本。

本發(fā)明的目的之一在于提供一種過程簡單，環(huán)保且產(chǎn)率高的石墨烯制備方法。本發(fā)明所述方法制備得到的高比表面石墨烯的孔徑可調(diào)、中孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大、比電容高。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種中孔發(fā)達的高比表面石墨烯的制備方法，所述方法為在保護氣氛中，將氧化石墨烯與活化氣反應(yīng)，進行活化；最后經(jīng)洗滌，過濾和干燥得到具有中孔發(fā)達的高比表面活性石墨烯。

所述活化氣為本領(lǐng)域熟知的能夠?qū)κM行活化的氣體，典型但非限制性的實例有二氧化碳氣、水蒸氣等。

優(yōu)選地，所述方法中，氧化石墨烯先于活化劑進行混合，然后再通入活化氣，進行活化；最后經(jīng)洗滌，過濾和干燥得到具有中孔發(fā)達的高比表面活性石墨烯。

作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明所述中孔發(fā)達的高比表面石墨烯的制備方法為在保護氣氛中，將氧化石墨烯與活化劑進行混合，同時通入活化氣，進行活化；最后經(jīng)洗滌，過濾和干燥得到具有中孔發(fā)達的高比表面活性石墨烯。所述的優(yōu)選技術(shù)方法是一種化學(xué)-物理聯(lián)合活化法制備中孔發(fā)達的高比表面石墨烯的方法。

其中，所述中孔發(fā)達的高比表面石墨烯的制備方法中，活化劑選自氫氧化鉀、氫氧化鈉、磷酸、氯化鋅中的任意1種或至少2種的組合，所述組合例如氫氧化鉀/氫氧化鈉的組合、磷酸/氯化鋅的組合、氫氧化鉀/氯化鋅的組合、氫氧化鉀/氫氧化鈉/氯化鋅的組合等；本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述組合不包括堿和酸的組合，例如不包括氫氧化鉀和/或氫氧化鋰與磷酸的組合。