[發明專利]一種三維網狀石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 201310077289.2
• 申請日: 2013-03-11
• 公開（公告）號: CN103172058A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 張東;劉艷云
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

技術領域

本發明涉及石墨烯的制備方法，尤其是涉及一種三維網狀石墨烯的制備方法。

背景技術

隨著經濟快速地發展與人口數量的急劇增加，能源和資源顯得日漸短缺，因此，人類將注意力投向于高效率、可循環利用的新能源。超級電容器是一種介于傳統電容器和充電電池之間的新型儲能裝置，其容量可達幾百至上千法拉。同傳統的電容器和二次電池相比，超級電容器儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環境無污染、循環壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。超級電容器由于其卓越的性能被視為本世紀最有希望的新型綠色能源。目前，超級電容器電極材料的研究主要集中在具有高比表面積、內阻較小的多孔碳材料等方面。

石墨烯又稱單層石墨，是一種由碳原子按正六邊形緊密排列成蜂窩狀晶格的單層二維平面結構，它具有高的比表面積、極好的導電性，是超級電容器的理想電極材料。但二維石墨烯表面能較高，容易發生團聚，與它相比，三維網狀石墨烯穩定性好，比表面積大且利用率高，能加大電解質對電極材料的浸潤性，提高電極儲能能力。所以如何高效、低廉的制備三維網狀石墨烯是提高超級電容器儲能性能的前提。

針對上述這些問題，本發明結合電化學原理和綠色化學理念，提出一種簡單、方便、可大規模制備三維網狀石墨烯的方法，測試結果證明這種方法制得的石墨烯具有明確的三維連通多孔網絡結構。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種操作簡便、成本低廉、安全無污染的三維網狀石墨烯的制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種三維網狀石墨烯的制備方法，在氧化石墨溶液的兩端插入電極，為電極施加正負脈沖電壓后，氧化石墨將在同一電極上經歷正脈沖電壓吸附，負脈沖電壓還原兩個過程，氧化石墨粒子在電極表面被吸附并還原，并以樹狀形式向上生長，最終堆積形成三維網狀石墨烯。

石墨烯的生長過程遵循金屬在電場中擴散受限制的表面沉積原理。

該方法包括以下步驟：

(1)以天然鱗片石墨為原料，制備氧化石墨；

(2)將氧化石墨均勻分散到去離子水中，配置均勻混合的氧化石墨懸浮液；

(3)將氧化石墨懸浮液放入反應容器中，將電極插入反應容器的兩端；

(4)在電極上連接信號發生器，通過信號發生器為電極施加正負脈沖電壓，使得氧化石墨在同一電極上被吸附和還原，并以樹狀形式向上生長，最終堆積在一起，形成三維網狀石墨烯。

步驟(1)中，通過改進的Hummers法制備氧化石墨。(氧化石墨是用高錳酸鉀與濃硫酸氧化天然鱗片石墨制得的方法即為Hummers法)

步驟(2)所述的氧化石墨懸浮液的濃度為0.1mg/ml～1mg/ml。

步驟(3)所述的電極為銅電極或鉛電極，兩端電極之間的距離為10～30mm。

步驟(4)所述的信號發生器與電極之間連接功率放大器，所述的功率放大器同時與示波器連接。

步驟(4)所述的脈沖電壓的大小為30～60V，頻率為0.5～50Hz，脈沖電壓的作用時間為1～120min。

本發明裝置包括反應容器、電極、信號發生器、功率放大器和示波器。其中，反應容器為玻璃或塑料容器。信號發生器的型號為DG1022，產生脈沖波，頻率的變化范圍在0.5～50Hz，主要用來輸出信號并把信號輸入到功率放大器中。功率放大器的型號為HVP-300A，其調壓范圍為0～300V(峰值)，主要用來輸出放大后的電信號，將電壓加載到氧化石墨溶液兩端的電極上。示波器的型號為DS1052E，用來觀察各種不同信號幅度隨時間的變化。

與現有技術相比，本發明將擴散受限制的表面沉積原理和石墨烯優異的電學性能有效地結合起來，具體來說，本發明具有以下優點：

(1)本發明裝置簡單、設備投資少，原料成本低廉易得，操作容易，重現性好，適用性強；

(2)本發明未涉及有毒的化學試劑，這避免了造成設備損壞、環境污染和人身危害等，具有安全無污染的優點。

附圖說明

圖1為本發明所用的裝置示意圖；

圖2為實例1中三維網狀石墨烯在不同放大倍數下的場發射掃描電鏡圖；

圖3為實例1中三維網狀石墨烯在不同放大倍數下的場發射掃描電鏡圖；

圖4為實例1中三維網狀石墨烯在不同放大倍數下的場發射掃描電鏡圖；

圖5為實例1中三維網狀石墨烯在不同放大倍數下的場發射掃描電鏡圖；