[發明專利]一種介孔石墨烯的制備方法

有效

• 申請號: 202110306378.4
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN112794313B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 王成鐸;韓田莉;崔英杰;李慶奎
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 李秋紅

本發明公開了一種介孔石墨烯的制備方法。首先將鎂粉和碳酸鹽粉末混勻，混勻后壓塊，所得壓塊置于密閉容器的內膽中；將裝有鎂和碳酸鹽壓塊的密閉容器置于高溫爐中進行升溫反應，反應后冷卻至室溫，得到黑灰色粉末；所得黑灰色粉末與稀酸反應，反應后采用去離子水抽濾洗滌至中性，所得濾餅干燥后得到介孔石墨烯。本發明技術方案能夠有效解決石墨烯制備過程普遍存在的片層堆積和團聚問題；另外，本發明制備反應過程不需要氬氣保護，鎂粉利用率高，成本低，易于規模化生產和推廣，制備所得石墨烯介孔豐富，具有優異的電化學穩定性，能夠廣泛應用于電化學儲能電極材料及催化材料等。

一、技術領域：

本發明屬于碳材料技術領域，具體涉及一種介孔石墨烯的制備方法。

二、背景技術：

石墨烯是一種由碳原子構成的具有六角形蜂巢結構的二維晶體材料，具有優異的物理、化學和力學性能，在電子、信息、能源、生物等領域具有廣闊的應用前景，是當今材料領域的研究熱點。石墨烯的制備可以分為物理方法和化學方法。物理方法通常是以廉價的石墨為原料，通過機械剝離、液相或氣相剝離來制備單層或多層石墨烯。物理方法制備石墨烯的產率低下，不適合大規模生產。化學方法主要包括化學氣相沉積、晶體外延生長、氧化還原法等。化學氣相沉積法和晶體外延生長法對設備的要求較高、產率低、成本高，只適合制備大面積的石墨烯。氧化還原法是將天然石墨通過熱處理或其它氧化技術進行氧化，然后通過超聲分散將氧化石墨剝離為單層或少層的氧化石墨烯，最后通過化學還原的方法去除其分子結構上的含氧基團得到石墨烯，該方法是目前規模化制備石墨烯的主要途徑之一，但所制備的石墨烯中常含有較高的含氧官能團，破壞了石墨烯的晶體結構，嚴重降低其導電和力學性能，而且其制備過程中石墨烯的堆疊和團聚問題會大幅降低其有效比表面積，從而影響其使用性能。

2011年，Chakrabarti等人利用鎂和二氧化碳進行反應制備了碳包覆納米氧化鎂的核殼結構(J.Mater.Chem.,2011,21:9491-9493)，打開了鎂熱還原二氧化碳制備石墨烯的大門。Zhang等人將金屬鎂粉置于管式爐中，升溫后通入二氧化碳和氬氣的混合氣體，成功得到多孔石墨烯(CN 201310288144.7)，但該方法制備的石墨烯含有氧官能團雜質，在離子液體中的電容性能不佳，且存在反應程度不充分，不利于規模化生產等問題。Wang等人將石灰石和鎂粉混合研磨后裝入高溫爐，在氬氣保護下升溫至800～1100℃，反應后得到石墨烯(CN201210082281.0)，但該方法使用過量的鎂(鎂與碳酸鈣摩爾比≥2:1)，反應溫度高(≥800℃)，石墨烯層間易于堆積和團聚，難以獲得介孔石墨烯，且原料和制備成本較高。因此，實現低成本制備介孔石墨烯材料是目前本領域技術人員研究的重要問題。

三、發明內容：

本發明要解決的技術問題是：根據目前石墨烯現有制備技術中存在的不足之處，本發明提供一種低成本制備介孔石墨烯的方法，本發明方法采用過量的碳酸鹽作為碳源和石墨烯介孔形成劑，結合密閉容器產生的壓力和較低的反應溫度，制備出介孔豐富的石墨烯，且制備過程中不需要氬氣保護，鎂粉利用率高，成本低，易于規模化生產和推廣。

為了解決上述問題，本發明采取的技術方案是：

本發明提供一種介孔石墨烯的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

a、以鎂粉和碳酸鹽粉末為原料，二者按照1：4～2：1的摩爾比進行混合，混合均勻后進行壓塊，所得壓塊置于密閉容器的內膽中；

b、將步驟a所得裝有鎂和碳酸鹽壓塊的密閉容器置入高溫爐中，升溫至650～800℃條件下，進行反應10～90min，反應后冷卻至室溫，得到黑灰色粉末；

c、將步驟b所得黑灰色粉末與稀酸進行反應，反應時間為12～36h，反應后采用去離子水抽濾洗滌至中性，得到濾餅，將所得濾餅進行干燥，干燥后得到產品介孔石墨烯。

根據上述的介孔石墨烯的制備方法，步驟a中所述鎂粉和碳酸鹽的粒度分別為1～500μm和0.1～200μm。