[發(fā)明專利]離子液體基皮克林乳液法制備石墨烯/多孔碳材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910331151.8
• 申請日: 2019-04-24
• 公開（公告）號: CN109928383B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 顏洋;馬源川;謝進(jìn)倉;張穎;盧昱君
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/184;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;H01M4/62;B82Y30/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明公開了一種離子液體基皮克林乳液法制備石墨烯/多孔碳材料的制備方法。該方法包括以下步驟：將一定量的水和一定量的離子液體混合制備得到水/離子液體微乳液；將氧化石墨烯加入離子液體微乳液中形成皮克林乳液；將碳源加入上述皮克林乳液中；將上述皮克林乳液通過水熱過程制備石墨烯/多孔碳材料。本發(fā)明提供的方法以氧化石墨烯為表面活性劑，利用氧化石墨烯與離子液體之間的靜電作用促進(jìn)了皮克林乳液的形成。當(dāng)離子液體穩(wěn)定氧化石墨烯層后，碳材料在氧化石墨烯納米片層的另一邊聚合。離子液體的穩(wěn)定作用抑制了石墨烯的團(tuán)聚，得到了一種二維納米片結(jié)構(gòu)。最終制備得到的復(fù)合材料可作為能量存儲器件的電極使用，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及離子液體基皮克林乳液法制備石墨烯/多孔碳材料的制備方法，本發(fā)明的復(fù)合材料可以用于高性能鋰硫電池的硫正極改性。

背景技術(shù)

石墨烯自2004年通過微機(jī)械剝離法從高定向熱解石墨上得到以來因其導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性高和比表面積大等優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注。基于石墨烯的納米復(fù)合材料結(jié)合了石墨烯的固有優(yōu)良特性，被大量研究用來解決儲能、光學(xué)和電子器件以及催化等領(lǐng)域存在的關(guān)鍵問題。然而，石墨烯層之間存在的強(qiáng)范德華相互作用會導(dǎo)致石墨烯發(fā)生嚴(yán)重的團(tuán)聚。為了解決這一問題，目前研究人員主要通過將二維石墨烯和碳材料進(jìn)行復(fù)合，形成可以在一定程度上限制石墨烯堆積的結(jié)構(gòu)。然而，上述制備過程中存在步驟繁瑣、耗時長和將所得到的納米復(fù)合材料用于鋰硫電池硫正極時載硫空間十分有限等問題。

利用離子液體微乳液的特殊環(huán)境來抑制石墨烯的團(tuán)聚是一個簡單有效的方法。離子液體是一種完全由陰、陽離子組成的有機(jī)鹽，它由于其熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)電率高、蒸汽壓極低、不易燃、合適的極性和寬的電化學(xué)窗口等優(yōu)異性能，受到了廣泛的重視，越來越多的研究者將離子液體作為“綠色溶劑”，用來取代化學(xué)反應(yīng)和材料合成中揮發(fā)性的有機(jī)溶劑。此外，將離子液體加入微乳液中形成的離子液體微乳液兼具離子液體和微乳液兩者的優(yōu)點：優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性好、較寬的極性和可設(shè)計的離子液體結(jié)構(gòu)。在離子液體微乳液制備過程中，表面活性劑能夠穩(wěn)定該分散體系，所以選取合適的表面活性劑對于離子液體微乳液的形成具有重要的意義。

氧化石墨烯的加入不僅可以作為離子液體微乳液的表面活性劑，提高分散體系的穩(wěn)定性，而且可以構(gòu)建新的獨特環(huán)境，即皮克林乳液，為接下來的石墨烯/多孔碳的制備創(chuàng)造有利條件。皮克林乳液是指由固體顆粒穩(wěn)定的乳液，皮克林乳液也具有常規(guī)乳液具有的幾種類型，如水包油型(O/W)乳液、油包水型(W/O)乳液和雙層乳液。與傳統(tǒng)乳液相比，皮克林乳液具有自身獨特的優(yōu)勢：在不需(或者少量)乳化劑的條件下即可形成穩(wěn)定的乳液，無毒性，對環(huán)境友好，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有優(yōu)勢，又因固體粒子在油-水界面上的吸附幾乎是不可逆的，因此皮克林乳液具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。近些年來，皮克林乳狀液因為其低成本、環(huán)境友好和穩(wěn)定性高等特點越來越受到人們的重視。

發(fā)明內(nèi)容

針對基于石墨烯的納米復(fù)合材料存在的石墨烯團(tuán)聚問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠簡單制備石墨烯/多孔碳復(fù)合材料的離子液體基皮克林乳液法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

離子液體基皮克林乳液法制備石墨烯/多孔碳材料的制備方法，步驟如下：

(1)室溫下，按照體積比為2：1～8：1將水和離子液體超聲混合制備水/離子液體微乳液；

(2)將氧化石墨烯加入水/離子液體微乳液中超聲形成皮克林乳液，氧化石墨烯在皮克林乳液中的濃度為2mg/mL～8mg/mL；

(3)將碳源分散在皮克林乳液中，碳源與氧化石墨烯的質(zhì)量比為4：1～10：1；

(4)在160℃～200℃溫度條件下，將步驟(3)得到的皮克林乳液水熱反應(yīng)12小時～24小時，得到復(fù)合材料前體；將復(fù)合材料前體依次經(jīng)過冷凍干燥一夜、高溫碳化、酸洗和80℃下干燥過夜后得到石墨烯/多孔碳材料。

所述的高溫碳化，在環(huán)境為氬氣或氦氣惰性氛圍下，在800℃～1000℃高溫條件下碳化2h～5h。