[發明專利]一種蜂窩狀三維石墨烯的制備方法

在審

• 申請號: 201610127967.5
• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN107161989A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 張艷麗;劉紅軍;李海珍;龐鵬飛;王紅斌
• 申請（專利權）人: 云南民族大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于納米材料的制備技術領域，具體涉及一種蜂窩狀三維石墨烯的制備方法。

技術背景

石墨烯是一種新型的二維碳納米材料，由于它具有獨特的光學、熱學、電子和機械性能，近年來已成為材料科學領域中最為炙手可熱的納米材料，被廣泛應用于超級電容器、電池、催化、生物傳感器等眾多領域。但是由于石墨烯片層之間強烈的吸引力，導致固態的石墨烯由于聚集而失去了單分散石墨烯具有的高比表面積等優異性能。為解決這一困擾，科研工作者們將每一片石墨烯連接在一起形成三維蜂窩狀骨架結構，則可使固態石墨烯展現出與單片石墨烯相似的優異性能。目前，三維石墨烯材料制備的一個主要難點是石墨烯片相互聚集，導致其密度很難達到最低，使其性能和應用范圍受到很大的限制?；瘜W氣相沉積法（CVD）和水熱法是制備三維石墨烯的常用方法，CVD法生長條件苛刻，難以實現三維石墨烯的大批量生產；高溫水熱法制備三維石墨烯雖然具有較多的孔結構，但制備過程復雜，不適合于工業化生產。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術的不足和缺點，采用一鍋制備法，不經中間體的分離，直接獲得蜂窩狀三維石墨烯，具體的技術方案包括以下步聚：

（1）以天然鱗片石墨為原料，將其緩慢加入濃硫酸中，再加入硝酸鈉和高錳酸鉀的混合物，恒溫反應2 h；向混合液中加入去離子水和H₂O₂，趁熱過濾。天然石墨在此過程中氧化為氧化石墨。

（2）將氧化石墨與聚苯乙烯微球制備液超聲混合，70℃下反應10 h，形成氧化石墨烯包裹的聚苯乙烯微球模板。聚苯乙烯微球制備液為無水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮、Triton X-100（乳化劑）、苯乙烯、偶氮二異戊腈。

（3）向混合液中加入氨水和水合肼，將氧化石墨烯還原為石墨烯，得到石墨烯包裹的聚苯乙烯微球。

（4）再向混合液中加入氫氧化鉀和甲苯，去除聚苯乙烯微球，得到三維石墨烯結構。

（5）最后將得到的三維石墨烯在80℃下真空干燥12 h,500℃高溫煅燒2 h，得到蜂窩狀的三維石墨烯。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和有益效果：

（1）本發明采用一鍋法制備三維石墨烯，工藝操作簡單、成本低廉，有望實現三維石墨烯材料的大規模生產。

（2）本發明方法通過高溫活化處理，解決了化學還原過程中引入的有毒化學試劑和石墨烯團聚問題，且煅燒后的蜂窩狀三維石墨烯結構更加牢固穩定。

（3）本發明方法制備的多孔三維石墨烯具有導電率高、比表面積大、孔隙率高及密度低等優點，可廣泛應用于導熱復合材料、儲能材料、吸附材料、化學生物傳感等領域。

附圖說明

圖1為本發明制備蜂窩狀三維石墨烯的流程圖；

圖2為實施例2中得到的氧化石墨烯包裹聚苯乙烯微球模板的SEM圖；

圖3為實施例3中得到的蜂窩狀三維石墨烯在放大5000倍數下的SEM圖；

圖4為實施例3中得到的蜂窩狀三維石墨烯在放大10萬倍數下的SEM圖；

圖5為實施例3中得到的蜂窩狀三維石墨烯的XRD圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明，但是所述實施例的說明，僅僅是本發明的一部分實施例，其中大部分并不僅限于此。

實施例1

1. 以天然鱗片石墨為原料制備氧化石墨

本發明采用一鍋法制備蜂窩狀三維石墨烯的工藝流程圖如圖1所示，其中制備氧化石墨的具體步聚為：

稱取5 g天然鱗片石墨加入115 mL濃硫酸中，攪拌均勻后緩慢加入2.5 g硝酸鈉和15 g高錳酸鉀的混合物，0℃反應2 h。升溫至35℃恒溫30 min，緩慢滴加230 mL的超純水；繼續升溫至98℃反應15 min后，加入700 mL溫水和200 mL 5%的H₂O₂，趁熱過濾。濾餅用5%的HCl（v/v）充分洗滌，直至濾液中無SO₄²（用BaCl₂溶液檢測)。產物在50℃下真空干燥24 h，得到氧化石墨。

實施例2

2. 氧化石墨烯包裹聚苯乙烯微球模板的制備