一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子點(diǎn)，所述石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的比表面積為800～1000m

Method for preparing graphene quantum dot / mesoporous carbon composite material and application thereof

The invention provides a graphene quantum dot / mesoporous carbon composite materials, including graphene quantum dots and mesoporous carbon filled in the dielectric Kong Tan mesoporous, the graphene quantum dots / mesoporous carbon composite material specific surface area is 800 ~ 1000M

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于儲能
，具體涉及一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料、制備方法以及應(yīng)用。
技術(shù)介紹
介孔碳指的是孔徑在2nm～50nm尺寸之間的多孔碳。目前介孔碳的合成方法主要有兩種：硬模板法和軟模板法。硬模板法是使用像多孔陽極氧化鉛和多孔硅這樣具有相對較“硬”的含有剛性骨架的多孔材料作為模板，再通過復(fù)制模板結(jié)構(gòu)，最后脫去模板制備出介孔材料。使用硬模板法合成介孔材料的優(yōu)點(diǎn)是普適性強(qiáng)，合成出來的介孔材料可完全繼承硬模板的結(jié)構(gòu)。軟模板法是使用＂軟＂有機(jī)分子作為模板，常用的軟模板劑有表面活性劑和微乳液等。軟模板劑與構(gòu)成骨架物質(zhì)之間發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，發(fā)生反應(yīng)后脫出模板劑就形成了介孔材料。相比硬模板法，雖然軟模板法不能嚴(yán)格控制介孔材料尺寸和形狀，但其操作簡便，成本相對低廉而被人們所廣泛應(yīng)用于介孔材料的合成當(dāng)中。目前軟模板法主要包括水熱法、溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝法(EISA)和沉淀法等。其中水熱法具有簡單且重復(fù)性好的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。一般的鋰硫電池是以硫做正極材料，鋰做負(fù)極材料的一種電池體系。由于單質(zhì)硫具有極高的理論容量(1675mAhg-1，是傳統(tǒng)正極材料的5-10倍)，能量密度可達(dá)2500Whkg-1，同時硫兼具無毒、環(huán)境友好、原料來源廣泛、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。但由于使用硫作正極，鋰硫電池也存在導(dǎo)電性差、中間產(chǎn)物的穿梭效應(yīng)、硫發(fā)生體積應(yīng)變等問題。近年來，有不少研究者將兩種或者兩種以上碳材料進(jìn)行復(fù)合，以解決硫?qū)щ娦圆詈痛┧笮?yīng)的問題。而介孔碳材料具有較為合適的用于載硫的孔徑尺寸。因此，為提高硫的利用率，并且抑制多硫化物溶于電解液，提供硫體積膨脹所需的空間，專利技術(shù)一種具有良好導(dǎo)電性和較大比表面積的復(fù)合介孔碳材料對于提高鋰硫電池的性能具有重大意義。
技術(shù)實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題在于提供一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的制備方法以及應(yīng)用，本專利技術(shù)提供的石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料應(yīng)用于鋰硫電池時，可以提高其電化學(xué)性能。本專利技術(shù)提供了一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子點(diǎn)，所述石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的比表面積為800～1000m2g-1，孔容為2～4cm3g-1。優(yōu)選的，所述石墨烯量子點(diǎn)和介孔碳復(fù)合材料的質(zhì)量比為1:60～1:600。本專利技術(shù)還提供了一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：A)將甲階酚醛樹脂水溶液與表面活性劑混合攪拌，進(jìn)行加熱反應(yīng)，得到表面活性劑-酚醛單膠束溶液，所述表面活性劑選自F127或P123；B)將石墨烯量子點(diǎn)水溶液與步驟A)表面活性劑-酚醛單膠束溶液混合后在130℃～180℃進(jìn)行水熱反應(yīng)20h～30h，反應(yīng)產(chǎn)物冷凍干燥后經(jīng)高溫退火、碳化、清洗和干燥處理，得到石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料。優(yōu)選的，所述加熱反應(yīng)的溫度為40～60℃，所述加熱反應(yīng)的時間為2～4h。優(yōu)選的，所述甲階酚醛樹脂水溶液的濃度0.03～0.20mol/L，所述表面活性劑與甲階酚醛樹脂的質(zhì)量比為0.035～0.05。優(yōu)選的，所述石墨烯量子點(diǎn)與甲階酚醛樹脂的質(zhì)量比為1:(100～1000)。優(yōu)選的，所述石墨烯量子點(diǎn)水溶液的濃度為0.01mg/mL～0.1mg/mL。優(yōu)選的，所述水熱反應(yīng)的溫度130℃～180℃，時間為20h～30h。優(yōu)選的，所述退火的溫度為400～600℃，時間為2～4h。優(yōu)選的，所述碳化的溫度為700～1000℃，時間為3～5h。本專利技術(shù)還提供了一種鋰硫電池，包括正極、負(fù)極和電解液；所述正極包括上述石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料以及由上述制備方法制備得到的石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)提供了一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子點(diǎn)，所述石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的比表面積為800～1000m2g-1，孔容為2～4cm3g-1。本專利技術(shù)提供的石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料能夠提供良好的導(dǎo)電性，較大的比表面積，有利于電子和離子的傳遞。同時，進(jìn)入到介孔碳內(nèi)部的石墨烯量子點(diǎn)能夠在負(fù)載硫的同時，抑制多硫化物的溶解擴(kuò)散。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得以該材料作為鋰硫載體的正極材料具有較高的理論比容量和循環(huán)性能。并且，本專利技術(shù)還提供了一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的制備方法，石墨烯量子點(diǎn)水溶液與表面活性劑-酚醛單膠束溶液混合進(jìn)行水熱反應(yīng)過程中酚醛表面的羥基與石墨烯量子點(diǎn)的含氧官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生化學(xué)吸附，石墨烯量子點(diǎn)進(jìn)入介孔碳內(nèi)部。本專利技術(shù)利用石墨烯量子點(diǎn)的納米效應(yīng)，通過水相合成法使表面活性劑-酚醛單膠束在水熱條件下與石墨烯量子點(diǎn)原位復(fù)合，制備得到高比表面積和高孔隙率的石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料。通過熔融擴(kuò)散的方法制備硫負(fù)載量65％的碳/硫復(fù)合材料，使得到的石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料應(yīng)用于鋰硫電池中且具有良好的電化學(xué)性能。附圖說明圖1為本專利技術(shù)提供的石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的氮?dú)馕摳角€圖；圖3為本專利技術(shù)提供的實施例1與對比例1鋰硫電池的比容量和循環(huán)性能。具體實施方式本專利技術(shù)提供了一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子點(diǎn)，所述石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的比表面積為800～1000m2g-1，優(yōu)選為850～950m2g-1，孔容為2～4cm3g-1，優(yōu)選為2.5～3.5cm3g-1。優(yōu)選的，所述石墨烯量子點(diǎn)和介孔碳復(fù)合材料的質(zhì)量比為1:60～1:600，優(yōu)選為1:300。本專利技術(shù)還提供了一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：A)將甲階酚醛樹脂水溶液與表面活性劑混合攪拌，進(jìn)行加熱反應(yīng)，得到表面活性劑-酚醛單膠束溶液，所述表面活性劑選自F127或P123；B)將石墨烯量子點(diǎn)水溶液與步驟A)表面活性劑-酚醛單膠束溶液混合后在130℃～180℃進(jìn)行水熱反應(yīng)20h～30h，反應(yīng)產(chǎn)物冷凍干燥后經(jīng)高溫退火、碳化、清洗和干燥處理，得到石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料。本專利技術(shù)以石墨烯量子點(diǎn)以及表面活性劑-酚醛單膠束作為原料進(jìn)行復(fù)合材料的制備，在本專利技術(shù)中，所述石墨烯量子點(diǎn)優(yōu)選采用以下方法進(jìn)行制備：將有機(jī)碳源化合物的水溶液與濃硫酸混合攪拌，進(jìn)行反應(yīng)；將得到的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行水熱化學(xué)反應(yīng)后，過濾，得到石墨烯量子點(diǎn)。具體的，本專利技術(shù)首先將有多羥基醛類化合物與去離子水混合，得到多羥基醛類化合物的水溶液，其中，所述多羥基醛類化合物優(yōu)選為葡萄糖。接著，向所述有機(jī)碳源化合物的水溶液中注入濃硫酸，同時進(jìn)行攪拌反應(yīng)，直至溶液攪拌均勻，攪拌過程中溶液的顏色從最初的無色變成黃色，最后變成黑色。其中，所述進(jìn)行反應(yīng)的容器優(yōu)選為反應(yīng)釜聚四氟乙烯內(nèi)膽。然后，將反應(yīng)產(chǎn)物在密閉的條件下進(jìn)行水熱化學(xué)反應(yīng)，優(yōu)選的，將反應(yīng)釜聚四氟乙烯內(nèi)膽置于金屬反應(yīng)釜體內(nèi)，蓋密嚴(yán)實，放入干燥箱進(jìn)行水熱化學(xué)反應(yīng)，所述水熱化學(xué)反應(yīng)的溫度優(yōu)選為200～240℃，所述水熱化學(xué)反應(yīng)的時間為180～200min。水熱化學(xué)反應(yīng)得到進(jìn)行水熱化學(xué)反應(yīng)合成藍(lán)色熒光石墨烯量子點(diǎn)。反應(yīng)結(jié)束后，等到反應(yīng)溫度降到室溫，反應(yīng)產(chǎn)物利用中速定性過濾紙(孔徑大小為15～20um)進(jìn)行過濾，僅僅去除大的固體雜質(zhì)，獲得棕黃色石墨烯量子本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料，其特征在于，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子點(diǎn)，所述石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的比表面積為800～1000m

【技術(shù)特征摘要】
1.一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料，其特征在于，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子點(diǎn)，所述石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的比表面積為800～1000m2g-1，孔容為2～4cm3g-1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料，其特征在于，所述石墨烯量子點(diǎn)和介孔碳復(fù)合材料的質(zhì)量比為1:60～1:600。3.一種石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：A)將甲階酚醛樹脂水溶液與表面活性劑混合攪拌，進(jìn)行加熱反應(yīng)，得到表面活性劑-酚醛單膠束溶液，所述表面活性劑選自F127或P123；B)將石墨烯量子點(diǎn)水溶液與步驟A)表面活性劑-酚醛單膠束溶液混合后在130℃～180℃進(jìn)行水熱反應(yīng)20h～30h，反應(yīng)產(chǎn)物冷凍干燥后經(jīng)高溫退火、碳化、清洗和干燥處理，得到石墨烯量子點(diǎn)/介孔碳復(fù)合材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述加熱反應(yīng)的溫度為40～60℃，所述加熱反應(yīng)的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：葛相麟，周旭峰，劉兆平，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江,33