[發明專利]一種多孔石墨烯的制備方法

無效

• 申請號: 201310349659.3
• 申請日: 2013-08-13
• 公開（公告）號: CN103466604A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 王庚超;沈佳麗;李星瑋;楊重陽
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 翟羽;曾人泉

技術領域

本發明涉及石墨烯材料技術領域，具體地說，是一種體積膨化和表面活化的多孔石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯作為二維碳原子晶體，具有高的比表面積、優異的電子傳導率和良好的機械性能，是近年來化學、材料、物理等領域的研究熱點。但是，石墨烯片層間由于范德華力作用易出現不可逆的團聚現象，使其有效比表面積大大降低，從而限制了其應用范圍。

為了擴大石墨烯的應用領域，目前相關研究的重點主要在于采用表面修飾技術和活化技術提高石墨烯的有效比表面積。已知的報道有：Kaner等人采用DVD光雕技術制備出比表面積達1520m²/g的石墨烯[Science,?Vol.?335,?1326,?(2012)]。Murali等人通過對微波剝離氧化石墨進行氫氧化鉀活化獲得了比表面積達3100m²/g的多孔石墨烯[Science,?Vol.?332,?1537,?(2011)]。然而，上述改性方法對設備的要求高，不適合工業化生產。

目前，工業上制備高比表面活性石墨烯的方法基本為化學活化法。例如，中國專利文獻CN102897751A公開了“一種利用石墨烯與強堿干混壓制成型后進行活化的方法”。?中國專利文獻CN102849734A公開了“以過渡金屬或過渡金屬化合物為活化劑制備多孔石墨烯的方法”。但是，這些方法所涉及的技術對石墨烯的剝離程度不高，其比表面積的提高主要是通過活化過程中碳的損失來實現的，對石墨烯規整度的破壞較大，沒有充分發揮石墨烯二維納米片層材料的優勢，影響了石墨烯的總體性能。

發明內容

本發明的目的在于解決上述的問題，提供一種多孔石墨烯的制備方法，其工藝簡單、成本低廉、易于規模化生產；以該方法制備的多孔石墨烯具有比表面積大，孔結構發達和電化學性能優異等特點，在電化學儲能、催化和吸附等領域能顯現出優勢。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案為。

一種多孔石墨烯的制備方法，其特征是，包括以下步驟：

（1）制備氧化石墨烯與化學發泡劑的固體混合物

將氧化石墨加入到pH=9～10的水/乙醇混合溶液中（水與乙醇的體積比為2:1），磁力攪拌48～72小時，再超聲分散0.5～2小時，形成氧化石墨烯膠體分散液，控制氧化石墨烯的濃度為0.5～5mg/mL；然后加入化學發泡劑，攪拌2～12小時，過濾除去多余的化學發泡劑，干燥后得到氧化石墨烯與化學發泡劑的固體混合物；

（2）制備膨化石墨烯

將步驟（1）獲得的氧化石墨烯與化學發泡劑的固體混合物置于管式爐中在還原氣氛中進行膨化還原：從室溫逐漸升至500℃，控制升溫速率為2～10℃/分鐘，并分別在200℃時保溫15～30分鐘，在500℃時保溫1～2小時，得到膨化石墨烯；

（3）制備石墨烯與強堿的活化產物

將步驟（2）獲得的膨化石墨烯浸漬在強堿溶液中，控制膨化石墨烯與強堿的質量比為1∶4～10，充分攪拌，干燥得到石墨烯與強堿的混合物；將所述混合物置于管式爐中，通入惰性氣體進行保護，升溫至700～1000℃，恒溫活化0.5～3小時，得到石墨烯與強堿的活化產物；

（4）制備多孔石墨烯

將步驟（3）得到的石墨烯與強堿的活化產物用0.5～2mol/L的鹽酸和去離子水洗至中性，干燥后得到目標產物：多孔石墨烯。

進一步，步驟（1）所述的化學發泡劑為水楊酸、碳酸氫銨或偶氮二甲酰胺中的一種。

進一步，步驟（1）所述的氧化石墨烯與化學發泡劑的質量比為1∶0.5～3。

進一步，步驟（2）所述的還原氣氛為氫氣與惰性氣體的混合氣體，其中氫氣與惰性氣體的體積比為1∶1～8。

進一步，所述的惰性氣體為氬氣或氮氣的一種。

進一步，步驟（3）所述的強堿為氫氧化鉀或氫氧化鈉中的一種。

進一步，步驟（3）所述的惰性氣體為氬氣或氮氣的一種。

本發明的積極效果是：

（1）將化學發泡與氧化石墨烯的熱還原技術有機結合起來，小分子發泡劑通過氫鍵或酸堿中和作用插層入氧化石墨烯片層間，提高氧化石墨烯片層的剝離程度；氧化石墨烯熱還原時伴隨著發泡劑的受熱分解釋放氣體，導致氧化石墨烯體積膨脹形成孔結構，能有效抑制氧化石墨烯的高溫團聚效應。

（2）膨化石墨烯豐富的孔結構有利于強堿溶液的浸漬，從而提高活化效果。通過化學發泡和高溫活化得到的石墨烯具有大的比表面積和發達的納米孔結構，有利于電解液的擴散和電荷的傳輸，從而賦予多孔石墨烯優異的電化學性能。