[發明專利]一種制備介孔石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201610476274.7
• 申請日: 2016-06-24
• 公開（公告）號: CN106115675B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 馬衍偉;李晨;張熊
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 北京君泊知識產權代理有限公司11496
• 代理人: 王程遠,胡玉章

技術領域

本發明涉及一種制備介孔石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是一種由單層碳原子以sp²雜化軌道相連接構成呈六角型蜂巢晶格的二維材料，具有優異的力學，電學、化學和熱學性質，受到全球材料研發人員的廣泛關注，被認為是最具有潛力的下一代新材料之一，已經在能量存儲、光電轉化和催化等領域得到實際應用。現有的石墨烯的制備方法主要分為兩類，一類是自上向下法，即以石墨為來源，通過剝離石墨塊體來制備石墨烯，包括液相剝離，機械剝離和氧化還原剝離等；另一類是自下向上法，即將各種含碳小分子轉化為石墨烯，包括化學氣相沉積和晶體外延生長等。這些石墨烯制備方法均存在不足之處，限制了高質量石墨烯的規模化生產。液相剝離法通常使用大量的含有表面活性劑的液體，后處理較為繁瑣。機械剝離法雖能制備出高質量的少層石墨烯，但該法產率極低，無法滿足大規模工業化生產的需求。氧化還原剝離是目前規模化制備石墨烯的主流方案，但其使用到大量強氧化性、腐蝕性的原料，帶來了嚴重的廢液處理問題，且產物中常含有較高含量的氧官能團，破壞了石墨烯的晶體結構，從而引入了大量缺陷，使得石墨烯的物理、化學性質發生了本質變化。此外，剝離法制備石墨烯過程中普遍存在石墨烯片層間由于π-π相互作用力引發的堆疊和團聚問題，導致石墨烯產物的比表面積大幅降低，孔徑分布無法精確控制。化學氣相沉積和晶體外延生長對儀器設備的要求較高，常需要高溫高真空條件，工藝流程較為復雜，而且只適用于制備石墨烯薄膜材料，無法規模化制備石墨烯粉體。

以二氧化碳為原料制備石墨烯是近年來新興的石墨烯制備方法，具有原料來源廣泛，價格低廉，產物后處理簡便等優點，因而被認為是有望解決規模化制備高質量石墨烯的途徑之一。Chakrabarti等人在干冰中燃燒金屬鎂，制備得到碳納米盒(J.Mater.Chem.2011,21,9491)，但產物中含有氧化鎂雜質難以去除。Zhang等人在充滿二氧化碳氣體的燒杯中燃燒金屬鎂，得到氮雜介孔石墨烯(中國專利201210545871.2)，但制備所得的石墨烯的孔徑分布無法精確均一調控。Zhang等人將金屬鎂粉置于管式爐中，升溫后通入二氧化碳氣體，得到多孔石墨烯，并證明該材料在水系電解液中具有良好的電容性能(中國專利201310288144.7)。該法制備的石墨烯中含有氧官能團雜質，導致材料在離子液體中的電容性能不佳。此外，由于制備流程須要始終保持在高溫環境中，造成反應能耗較大。且該法直接采用鎂粉與二氧化碳反應，導致反應進行程度不充分，產率較低。因此，如何以二氧化碳為原料，實現規模化、綠色、快速制備介孔石墨烯材料仍是目前研究人員關注的重要問題。

發明內容

本發明目的在于克服現有制備石墨烯方法的不足之處，提出一種制備介孔石墨烯的方法，所述方法可以解決石墨烯制備過程中普遍存在的石墨烯片層間相互堆疊和團聚。本發明所制備的石墨烯介孔豐富，孔徑分布均一，層數可控，不含雜質，碳氧元素原子比高，且原料來源廣泛，反應簡便易行，易于工業化推廣。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種制備介孔石墨烯的方法，包括以下步驟：

步驟1，將金屬鎂粉與氧化鎂粉混合均勻，得到混合粉末，將所述混合粉末放入密封耐壓容器中，并在所述混合粉末中埋入鎢絲線圈；

步驟2，使用分子泵將所述密封耐壓容器壓力降至2×10^-4Pa，向所述密封耐壓容器中通入純度為90-99.99％的二氧化碳氣體，至所述密封耐壓容器內壓力為0.125-10MPa，其中通入二氧化碳氣體的速率為100-10000sccm；

步驟3，使用直流電源對所述鎢絲線圈施加0.5-30A直流電，通電時間為5-30秒，所述鎢絲線圈產生高溫引發金屬鎂粉與二氧化碳發生反應，反應1-2min后得到黑色粉末；

步驟4，將所述黑色粉末置于稀酸溶液中靜置6-48h，再使用去離子水抽濾洗滌所述黑色粉末至中性得到濾餅，將所述濾餅冷凍干燥后得到介孔石墨烯粉體。

進一步的，步驟1中，所述金屬鎂粉純度為90-99.99％，平均粒徑為1-1000μm，所述氧化鎂粉純度為90-99.99％，平均粒徑為0.1-1000μm。

進一步的，步驟1中，所述混合粉末中金屬鎂粉與氧化鎂粉的質量比為1:0-1:10。

進一步的，所述稀酸溶液為濃度為0.2-2M的稀鹽酸、稀硫酸或稀硝酸。

進一步的，所述密封耐壓容器為體積10-200L的鋼制密封耐壓容器。

進一步的，步驟4中所述冷凍干燥包括以下步驟：