[發明專利]三維石墨烯/硅復合體系、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201610348681.X
• 申請日: 2016-05-24
• 公開（公告）號: CN107425180B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 劉立偉;李偉偉;曾奇;張慧濤;郭玉芬;李奇;陳明亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

1.一種三維石墨烯/硅復合體系的制備方法，其特征在于包括：

將過渡金屬單質和/或含過渡金屬元素的化合物與硅納米顆粒復合，之后在還原性氣氛中于400～1000℃進行高溫還原，制得三維多孔金屬催化劑模板/硅復合體系，所述三維多孔金屬催化劑模板/硅復合體系中硅納米顆粒的含量為1wt%～10wt%，金屬催化劑的含量為90wt%～99wt%，所述硅納米顆粒的粒徑為10 nm～200 nm，所述過渡金屬選自Fe、Cu、Co、Ni、Pt或Ru，所述含過渡金屬元素的化合物選自過渡金屬氧化物、過渡金屬鹽或過渡金屬水合物中的任意一種或兩種以上的組合；

在外界輔助條件下，利用化學氣相沉積法，在所述三維多孔金屬催化劑模板/硅復合體系上生長三維石墨烯，獲得帶有催化劑骨架的三維石墨烯/硅復合體系，所述化學氣相沉積法中采用的生長溫度為400～1200 ℃，生長時間為30s～2h，生長壓力為1 torr～800torr，生長氣氛包括氫氣和/或氬氣，其中所述外界輔助條件選自微波、等離子體條件中的任意一種；

對所述帶有催化劑骨架的三維石墨烯/硅復合體系進行刻蝕處理，獲得三維石墨烯/硅復合體系，所述復合體系中三維石墨烯的片徑為0.5～50 μm，厚度為0.34 nm～10 nm，孔隙率為60%～90%，硅納米顆粒的粒徑為10 nm～200 nm，并且所述復合體系中硅納米顆粒的含量為10wt%～95wt%，三維石墨烯的含量為1wt%～90wt%。

2.一種三維石墨烯/硅復合體系的制備方法，其特征在于包括：

將過渡金屬單質和/或含過渡金屬元素的化合物作為原料，并在還原性氣氛中于400～1000℃進行高溫還原，制得三維多孔金屬催化劑模板，所述過渡金屬選自Fe、Cu、Co、Ni、Pt或Ru，所述含過渡金屬元素的化合物選自過渡金屬氧化物、過渡金屬鹽或過渡金屬水合物中的任意一種或兩種以上的組合；

在外界輔助條件下，利用化學氣相沉積法，在所述三維多孔金屬催化劑模板上生長三維石墨烯，獲得帶有催化劑骨架的三維石墨烯，所述化學氣相沉積法中采用的生長溫度為400～1200 ℃，生長時間為30s～2h，生長壓力為1 torr～800 torr，生長氣氛包括氫氣和/或氬氣，其中所述外界輔助條件選自微波、等離子體條件中的任意一種；

對所述帶有催化劑骨架的三維石墨烯進行刻蝕處理，獲得三維石墨烯粉體；

將硅納米顆粒和偶聯劑在有機溶劑中均勻混合形成硅納米顆粒分散液，并將所述三維石墨烯粉體與所述硅納米顆粒分散液均勻混合，之后干燥，獲得三維石墨烯/硅復合體系，其中，所述偶聯劑選自鈦酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑或鋁酸酯偶聯劑中的任意一種或兩種以上的組合；

所述復合體系中三維石墨烯的片徑為0.5～50 μm，厚度為0.34 nm～10 nm，孔隙率為60%～90%，硅納米顆粒的粒徑為10 nm～200 nm，并且所述復合體系中硅納米顆粒的含量為10wt%～95wt%，三維石墨烯的含量為1wt%～90wt%。

3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述化學氣相沉積法中采用的碳源選自固相、液相或氣相碳源。

4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述固相碳源選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯、聚乙二醇、聚二甲基硅氧烷、葡萄糖、蔗糖、果糖或纖維素中的任意一種或兩種以上的組合。

5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述液相碳源選自甲醇、乙醇、丙醇或芳香烴中的任意一種或兩種以上的組合。

6.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述氣相碳源選自甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷、一氧化碳或二氧化碳中的任意一種或兩種以上的組合。

7.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于：由所述化學氣相沉積法生長形成的石墨烯的層數為1～20層。

8.根據權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：所述還原性氣氛選自氫氣或氫氣及惰性氣體。