[發明專利]一種官能團化多孔石墨烯及其制備方法

有效

• 申請號: 201811581769.1
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109678142B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 陸安康;于堯;李涵羽;柳林
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;C01B32/194
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明屬于石墨烯材料領域，并公開了一種官能團化多孔石墨烯及其制備方法。該方法將植酸和硫酸銨的混合溶液作為電解液，石墨箔作為陽極，鉑片作為陰極，構成二電極電解系統；采用直流電源為所述陽極提供直流偏壓，在偏壓作用下所述陽極的石墨箔膨脹剝離形成石墨烯，并釋放到所述電解液中；對電解液進行超聲后過濾去除雜質，然后將得到的濾液進行離心并選取上層清液，獲得官能團化多孔石墨烯的懸浮液，最后將該懸浮液過濾獲得所述官能團化多孔石墨烯。本發明選用植酸作為電解液，有利于形成具有空位缺陷的孔洞石墨烯，并且還能引入氧磷官能團，形成官能團化多孔石墨烯；同時硫酸銨能夠促進石墨箔的剝離，制得層數較少的石墨烯。

技術領域

本發明屬于石墨烯材料領域，更具體地，涉及一種官能團化多孔石墨烯及其制備方法。

背景技術

石墨烯是由單層碳原子進行蜂窩狀排列構成的二維碳材料，由于其具有較高電導率、優異的機械穩定性和較大的理論比表面積，被用作儲能器件如電池、超級電容器的理想電極材料。

但是以薄膜微超級電容器為例，單純石墨烯基微超級電容器的廣泛應用受限于其相對較低的容量和能量密度。這是由于的石墨烯層間存在較強的范德瓦爾斯力，導致石墨烯片容易堆疊團聚，從而阻礙了電解質進入電極內部空間，降低離子傳輸效率和電極有效比表面積，最終使得石墨烯基超級電容器的性能不佳。

在石墨烯基面上引入孔洞結構可以有效解決這一問題，目前制備多孔石墨烯的方法主要包括：催化氧化法，通過在石墨烯基面上散布大量催化劑顆粒，然后定向氧化催化劑附著區域，得到多孔石墨烯，這種方法需要多步操作，且容易在材料表面產生較大裂隙；毫微光刻法，通過高能激光刻蝕，在石墨烯表面形成微孔，這種方法可以產生陣列化均勻分布的孔洞結構，但是成本高昂，不利于大規模制造；空氣中直接加熱法，在空氣氛圍中以一定溫度加熱石墨烯粉末，石墨烯基面上非晶態區域優先和氧氣反應生成CO₂逸出，形成孔洞結構，這種方法簡單易行，但需要預先制備石墨烯成品，且不可避免的會將石墨烯大面積氧化。

發明內容

針對現有技術的上述缺點和/或改進需求，本發明提供了一種官能團化多孔石墨烯及其制備方法，其中該制備方法通過電化學剝離法，以植酸和硫酸銨混合溶液作為電解液，實現了官能團化多孔石墨烯的制備。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提出了一種官能團化多孔石墨烯的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

(a)將植酸和硫酸銨的混合溶液作為電解液，石墨箔作為陽極，鉑片作為陰極，構成二電極電解系統；

(b)在步驟(a)的二電極電解系統中，采用直流電源為所述陽極提供直流偏壓，在偏壓作用下所述陽極的石墨箔膨脹剝離形成石墨烯，并釋放到所述電解液中；

(c)將步驟(b)得到的含有石墨烯的電解液進行超聲，使石墨烯分散后過濾去除雜質，然后將得到的濾液進行離心并選取上層清液，獲得官能團化多孔石墨烯的懸浮液，最后將該懸浮液過濾獲得所述官能團化多孔石墨烯。

作為進一步優選地，所述電解液中植酸的濃度優選為0.02mol/L～0.04mol/L。

作為進一步優選地，所述電解液中硫酸銨的濃度優選為0.08mol/L～0.12mol/L。

作為進一步優選地，所述直流偏壓優選為+8V～+12V。

作為進一步優選地，所述超聲的時間優選為20min～40min。

作為進一步優選地，所述離心的轉速優選為3000r/min～6000r/min。

作為進一步優選地，所述離心的時間優選為15min～25min。

按照本發明的另一方面，提供了一種利用上述方法制備的官能團化多孔石墨烯。