[發明專利]一種微米級介孔石墨烯材料

在審

• 申請號: 201811320775.1
• 申請日: 2018-11-07
• 公開（公告）號: CN109524647A
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 李金來;張建祥;劉芳芳;曹雅琴;鮑秀瑾
• 申請（專利權）人: 新奧石墨烯技術有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M10/0525;H01G11/24;H01G11/32;H01G11/50
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 張文輝;金明鐘

本公開提供了一種微米級介孔石墨烯材料及其制備方法和在儲能材料中的應用，該制備方法包括：將碳酸鹽溶液與鎂鹽溶液混合，得到第一混合溶液；對第一混合溶液進行水熱反應，分離干燥，獲得微米級碳酸鎂顆粒；高溫煅燒所述微米級碳酸鎂顆粒，將其轉化為微米級介孔氧化鎂顆粒；以所述微米級介孔氧化鎂顆粒為模板劑，通過化學氣相沉積法制備石墨烯或雜原子摻雜石墨烯包覆氧化鎂顆粒；以及酸刻蝕所述石墨烯或雜原子摻雜石墨烯包覆氧化鎂顆粒，除去氧化鎂，得到石墨烯或雜原子摻雜石墨烯。該方法操作簡便、工藝可控、原料豐富，能夠靈活調控石墨烯的微觀結構與化學性質，進而在作為儲能材料時表現出優異的電化學性能。

技術領域

本公開涉及碳材料技術領域，具體地，涉及一種微米級介孔石墨烯材料及其制備方法和在儲能材料中的應用。

背景技術

單層石墨烯(Graphene)是近年來備受關注的二維單原子層碳材料，具有許多優異特性，如高導熱性、高導電性、高比表面積以及優異的機械性能，因此在許多領域都有很好的應用前景。雙層及少層石墨烯同樣具有與單層石墨烯相當的優異特性。然而，石墨烯自身是一個巨大的芳香共軛分子，由于其疏水結構且片層間很強的相互作用和范德華力使其易于發生堆疊和團聚，石墨烯層間的團聚和堆疊會極大降低了石墨烯的有效表面積，從而使其逐漸喪失了石墨烯原有優異的物理性質，為其進一步產業化應用帶來實際困難。鑒于此，設計三維石墨烯成為避免石墨烯團聚，發揮其自身優異物理性質的一種極為有效地方法。例如，利用溶膠-凝膠法進行組裝，通過超臨界干燥和冷凍干燥法制備三維石墨烯。由于這些方法通常采用氧化石墨烯作為原料，制備得到的石墨烯品質較差，而且石墨烯層之間采用較弱分子間作用力鍵合，導致差的結構穩定性，因此限制了其電化學性能。此外，這些方法制備的三維石墨烯結構中存在大量的微孔和大孔結構，其中微孔結構不利于電解液的擴散和離子的傳輸，成為無效的孔道；另外大孔結構減少了其孔容的有效利用率，降低了材料的振實密度，不利于離子存儲，這些都在很大程度上限制了三維石墨烯材料在儲能領域例如鋰離子電池和鋰離子電容中的商業化應用。因此，仍然需要開發一種新型的高品質三維石墨烯材料。

發明內容

在本公開的第一個方面，以水熱法制備的碳酸鎂顆粒煅燒得到的介孔氧化鎂顆粒作為模板劑，通過化學氣相沉積法制備微米級介孔石墨烯/雜原子摻雜石墨烯。因此，本公開的第一個方面提供了一種微米級介孔石墨烯或雜原子摻雜石墨烯的制備方法，其涉及以下內容：

實施方式1、一種制備微米級介孔石墨烯材料的方法，包括：

將碳酸鹽溶液與鎂鹽溶液混合，得到第一混合溶液；

對第一混合溶液進行水熱反應，分離干燥，獲得微米級碳酸鎂顆粒；

高溫煅燒所述微米級碳酸鎂顆粒，將其轉化為微米級介孔氧化鎂顆粒；

以所述微米級介孔氧化鎂顆粒為模板劑，通過化學氣相沉積法制備石墨烯或雜原子摻雜石墨烯包覆氧化鎂顆粒；以及

通過酸刻蝕所述石墨烯或雜原子摻雜石墨烯包覆氧化鎂顆粒除去氧化鎂，得到石墨烯或雜原子摻雜石墨烯。

實施方式2、根據實施方式1所述的方法，其還包括

在所述通過酸刻蝕除去氧化鎂之后，將石墨烯或雜原子摻雜石墨烯置于微波反應器中，在保護氣氛下于約1200-2000℃微波處理約1-60min。

實施方式3、根據實施方式1所述的方法，其中，所述碳酸鹽溶液中碳酸根離子與所述鎂鹽溶液中鎂離子的摩爾比例為約0.8:1至3:1。

實施方式4、根據實施方式3所述的方法，其中，所述碳酸鹽溶液滿足以下條件的至少一種：

含有碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸銨、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀和碳酸氫銨中的至少一種；

碳酸根離子的濃度為約0.5-3.0mol/L。