[發(fā)明專利]一種多孔石墨烯納米片、制備方法及其作為電極材料的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310648804.8
• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN104701546B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋懷河;宋冉冉;陳曉紅
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學
• 主分類號: C01B32/182
• 分類號: C01B32/182;C01B32/184;H01M4/583
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本發(fā)明涉及一種多孔石墨烯納米片的制備方法，以樹脂為碳源，與金屬源進行固化、炭化處理，得到層次孔結(jié)構(gòu)炭片，將其石墨化后得到多孔石墨烯納米片。上述多孔石墨烯納米片的制備方法工藝簡單，成本較低，污染小，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；將其用作鋰離子電池負極材料，表現(xiàn)出高的容量和優(yōu)異的倍率性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多孔石墨烯納米片、制備方法及在鋰離子電池方面的應(yīng)用，屬于電化學和新能源材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯是單層碳原子經(jīng)過sp²雜化緊密堆積形成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料，是構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨的基本結(jié)構(gòu)單元 。石墨烯獨特的二維片層結(jié)構(gòu)，使其具有高強度、優(yōu)異的導電、導熱性、化學穩(wěn)定性以及良好的延展性等，從而在鋰離子電池、超級電容器等能源儲存器件、傳感器、光電轉(zhuǎn)換等方面具有廣泛而有意義的研究和應(yīng)用價值。

多孔石墨烯是指一類石墨烯表面含有納米孔洞的材料，由于具有較大的比表面積，導電性好，用作鋰離子電池和超級電容器電極材料時，其片層結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)有利于縮短離子擴散距離，提高離子傳輸效率，從而提高電化學性能、尤其是快速充放電下的倍率性能。[L. Zhang et al. Scientific Reports， 2013，doi:10.1038/srep01408 ] [L.Zhang et al. Nano Letter, 2012, 12, 1806-1812.] 另外多孔石墨烯還可用于污水處理和海水淡化等領(lǐng)域。

目前，多孔石墨烯的制備方法，主要是通過Staudenmaier法 、Hummers法剝離天然石墨得到氧化石墨烯和石墨烯，然后利用酸（如硝酸）、堿（KOH、NaOH等）或鹽（KMnO₄等）對其進行活化造孔。[L. Zhang et al. Nano Letter, 2012, 12, 1806-1812.] [Z. Fan etal. Carbon, 2012, 50, 1699-1712.] [Y. Zhu et al. Science, 2011, 332, 1537-1541.] 這種方法不僅制備工藝復雜，成本較高，污染較大，而且難以大量生產(chǎn)。此外，活化過程往往引入大量官能團，容易導致電極材料的庫侖效率降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種工藝簡單、成本較低的多孔石墨烯及其制備方法，即以聚合物為碳源、通過加入金屬鹽作造孔模板劑，經(jīng)炭化和石墨化處理獲得多孔石墨烯材料。該方法制得的多孔石墨烯用作鋰離子電池負極材料時，表現(xiàn)出高的比容量和優(yōu)異的倍率性能。

本發(fā)明提供一種多孔石墨烯納米片，其寬度為1-20 μm、厚度為 1-20 nm，孔徑范圍在0.5-100 nm之間，主要集中于2-50 nm, 比表面積80-300 m²/g。

本發(fā)明還提供一種多孔石墨烯納米片的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：將金屬源、碳源及固化劑分別溶于溶劑中，然后將三者均勻混合。

步驟二：待溶劑揮發(fā)完全，將混合物置于真空烘箱于100-180℃固化3-6小時。而后將固化產(chǎn)物置于炭化爐中，在惰性氣氛下于400-800℃炭化2-10小時，得到嵌入納米金屬粒子的炭納米片。

步驟三：將炭化產(chǎn)物酸化處理除去其中的金屬及金屬氧化物。經(jīng)過濾、清洗、干燥后，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的炭片。

步驟四：將多孔炭片置于高溫石墨化爐中，在惰性氣氛保護下， 2000-3000℃處理0.5-3小時，得到目標產(chǎn)物——多孔石墨烯納米片。

優(yōu)選的，步驟一中所選用的金屬源包括銅、鋅、鈷、鎳的硝酸鹽、氯化物、醋酸鹽等。

優(yōu)選的，步驟一中所選用的碳源包括酚醛樹脂、脲醛樹脂或糠醛樹脂等。

優(yōu)選的，步驟一中所選用溶劑包括無水乙醇、丙酮、乙醚或吡啶。