[發明專利]一種多孔石墨烯及多孔石墨烯膜的制備方法

在審

• 申請號: 201310581279.2
• 申請日: 2013-11-18
• 公開（公告）號: CN104649253A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 韓寶航;周鼎
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 李婉婉;張苗

技術領域

本發明涉及一種多孔石墨烯及多孔石墨烯膜的制備方法。

背景技術

石墨烯具有優異的電學、熱學和機械性能，并且具有較高的理論比表面積（理論計算值為2600m²/g）。在過去的幾年里，很多的方法被用來制備石墨烯，包括化學氣相沉積法、外延生長法、物理剝離法、化學還原法、液相超聲剝離法以及自下而上合成法。其中，化學還原法是目前材料科學領域使用最廣泛的制備石墨烯的方法?；瘜W還原法又被稱作還原石墨烯氧化物法，按照還原方式可以分為化學試劑還原、電化學還原、高溫熱還原、溶劑熱還原和光化學還原。石墨烯氧化物表面含有多種含氧官能團和缺陷，經過還原之后，大部分的含氧官能團可以被除去，但是缺陷仍然會留在石墨烯片層上。為了得到更加完美的石墨烯，化學氣相沉積等方法被用來修復通過化學還原方法制備的石墨烯表面的缺陷。

多孔石墨烯，是在石墨烯片層結構上引入納米級的孔（Xu,P.;Yang,J.;Wang,K.;Zhou,Z.;Shen,P.Porous?Graphene:Properties,Preparation,and?Potential?Applications.Chin.Sci.Bull.2012,57(23),2948-2955.），即對石墨烯表面“缺陷”進行設計和加工得到的產物。對于多孔石墨烯的研究，是對其表面缺陷結構的利用?；谑┑膬灝愋阅芎投S納米結構，多孔石墨烯表面的孔結構可以賦予其新的性能和應用，比如，氣體的分離與純化、DNA測序、海水脫鹽、離子通道。

目前，多孔石墨烯主要是利用高能物質對石墨烯片層進行轟擊或輻射，發生刻蝕獲得納米級的孔結構，這些高能物質有氦離子、電子束和激光。然而，由于這些方法需要一定的設備，成本高、產率低，因此，多孔石墨烯的研究工作主要集中在計算科學和器件研究領域，對其在材料領域的性能研究相對較少。因此，發展一種簡單、高效的制備多孔石墨烯的方法，實現多孔石墨烯的大量制備，對于多孔石墨烯在材料科學領域的研究和應用的意義很大。

發明內容

本發明的目的是提供一種簡單、高效的制備多孔石墨烯的方法，以及制備多孔石墨烯膜的方法。

碳熱反應是一種經典的化學反應，在高溫的條件下，絕大部分含有金屬和氧元素的化合物可以被碳還原為低價態的金屬氧化物或金屬單質，甚至形成金屬碳化物。在碳熱反應中，碳作為還原劑，被含有金屬和氧元素的化合物氧化生成一氧化碳或者二氧化碳。本發明的發明人意外地發現，納米材料具有較高的表面能，石墨烯作為一種二維的碳納米材料，與金屬和氧元素的化合物納米顆?？梢栽谙鄬^低的溫度下發生碳熱反應。由于石墨烯是由單層碳原子形成的二維納米結構，表面碳原子被氧化之后在表面留下缺陷，即孔結構，形成多孔石墨烯。

基于上述發現，本發明提供了一種多孔石墨烯的制備方法，其中，該方法包括，將石墨烯和/或石墨烯氧化物與刻蝕劑混合，得到混合物；在無氧條件下，對混合物進行碳熱反應，并進行酸處理以除去未反應的或反應后的刻蝕劑；所述刻蝕劑為金屬氧酸鹽、金屬氫氧化物和金屬氧化物中的一種或多種。

本發明還提供了一種多孔石墨烯膜的制備方法，其中，該方法包括，將刻蝕劑分散在石墨烯和/或石墨烯氧化物膜上，在無氧條件下進行碳熱反應或者電子束刻蝕，并進行酸處理以除去反應后或刻蝕后的刻蝕劑；所述刻蝕劑為金屬氧酸鹽、金屬氫氧化物和金屬氧化物中的一種或多種。

本發明提供的多孔石墨烯，孔徑在1-200nm之間，出孔率能達到5-80%。

多孔石墨烯的研究豐富了石墨烯衍生物的范疇，有效的利用了石墨烯衍生物表面的缺陷結構，在鋰離子電池、超級電容器電極、催化材料等涉及組分遷移的體系中，可以有效的提高電解液或反應物的擴散和遷移，有利于材料性能的提高。

本發明的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1為實施例1.1制備得到的多孔石墨烯樣品的TEM照片；

圖2為實施例2.7制備得到的多孔石墨烯樣品的TEM照片；

圖3為實施例3.1制備得到的多孔石墨烯樣品的SEM照片；

圖4為實施例6.1制備的多孔石墨烯薄膜樣品的SEM照片；

圖5為實施例7.1制備的多孔石墨烯薄膜樣品的SEM照片。

具體實施方式