本發(fā)明專利技術公開了一種石墨烯材料及固體石墨烯的制備方法。該石墨烯材料是由固體石墨烯形成的三維多孔構造；所述的固體石墨烯由不多于10層的二維六方碳單片層組成，所述的多孔分布在單片層表面及單片層之間。其中固體石墨烯的制備方法是用超聲將氧化石墨均勻分散在水中；在分散了氧化石墨的水溶液中加入C1～4短鏈醇作為還原劑，在80～280℃下水熱反應，形成多孔石墨烯水溶膠；將多孔石墨烯水溶膠經真空冷凍干燥后得到多孔的固體石墨烯。該石墨烯材料結構穩(wěn)定、表面積大、導電性能優(yōu)良，其制備方法簡單，并可以一次大量制備。特別適合于用做高能量密度、高功率密度鋰離子電池正、負極材料，超級電容器電極材料，催化材料、催化載體材料以及吸附、水處理等領域。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種三維多孔固體石墨烯及其制備方法，特別適合于用做高能量密度、高功率密度鋰離子電池正、負極材 料，超級電容器電極材料，催化材料、催化載體材料以及吸附、水處理等領域。
技術介紹
石墨烯是單層碳原子緊密堆積而形成的炭質新材料，它具有優(yōu)異的力學、熱學和電學性能。目前制約石墨烯及其復合材料研究和應用的主要因素一是如何實現石墨烯規(guī)模化制備；二是如何實現石墨烯的可控功能化。目前，文獻報道的石墨烯制備方法可歸納為微機械分離法、化學氣相沉積法、SiC外延生長法和氧化石墨烯還原法等。微機械分離法產量低且不可控，不能滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產要求，而且從大片的厚層中尋找單層石墨烯比較困難，同時樣品中還存在少許膠潰，表面清潔度不高，限制了其在石墨烯制備中的應用。化學氣相沉積法為可控制備石墨烯提供了一種的有效方法，用該法制備石墨烯不需要顆粒狀催化劑。它是將平面金屬薄膜、金屬單晶等基底置于高溫可分解的甲烷、乙烯等前驅體氣氛中，通過高溫退火使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯，再用化學腐蝕法去除金屬基底后得到石墨烯片。通過選擇基底的類型、生長的溫度、前驅體的流量等參數可調控石墨烯的生長速率、厚度和面積。此方法已能成功制備出面積達平方厘米級的單層或多層石墨烯。但該方法中常用的基片材料單晶鎳的價格昂貴，且生產工藝復雜，影響了石墨烯工業(yè)化生產。SiC外延生長法主要通過加熱單晶6H_SiC脫除Si，在單晶(0001)面上分解出石墨烯，其主要過程是將氧離子刻蝕的6H-SiC在高真空下用電子轟擊加熱去除氧化物，再將樣品加熱至1300°C左右形成極薄的石墨層。該法可獲得單層(或多層)、大面積的石墨烯，但是制備條件苛刻。需要高溫和超高真空，且SiC材料昂貴，限制該方法的大規(guī)模推廣應用。氧化石墨烯還原法是將石墨轉變?yōu)檠趸賹⒀趸┻€原制備石墨烯。該方法所需原料石墨價廉、易得且制備過程簡單，是目前最有可能實現大規(guī)模制備石墨烯的方法。但這種方法中經過強氧化劑完全氧化過的石墨不一定能夠完全還原，導致其一些物理、化學等性能損失(尤其是導電性)，且制備的單片石墨烯不穩(wěn)定、易聚合。獲得能在溶液中甚至是固體狀態(tài)下能穩(wěn)定存在、不聚合的石墨烯材料，是這一方向研究的熱點與難點。曹傲能等以二甲基亞砜為溶劑和還原劑同時也是硫源，將Cd (CH3COO) 2溶解于二甲基亞砜中，同時通過超聲輔助將氧化石墨片分散于該溶液中，在高壓反應斧中于180°C反應12h，得到穩(wěn)定的、不易聚合的CdS/石墨烯復合材料。研究表明，CdS對阻止石墨烯的聚合起到了至關重要的作用。Ma課題組采用苯二胺還原氧化石墨納米片，成功制備出在有機溶劑中能高度分散并穩(wěn)定存在的石墨烯材料。在現有技術中制備石墨烯溶膠的報道比較多，但是制成的固體石墨烯時穩(wěn)定性不夠，易團聚，使石墨烯材料的應用受到了限制，而石墨烯的優(yōu)越性能和高科產業(yè)的發(fā)展對它的需求，急需要有一種能制備出穩(wěn)定性好，表面積大、導電性能優(yōu)越的固體石墨烯材料的制備方法。
技術實現思路
本專利技術的一個目的在于提供一種結構穩(wěn)定、表面積大、導電性能優(yōu)良的三維多孔固體石墨烯材料。本專利技術的另一個目的在于提供一種制備方法簡單，可一次大量制備且結構穩(wěn)定的 三維多孔固體石墨烯的制備方法。本專利技術提供了一種石墨烯材料，所述的材料是由固體石墨烯形成的三維多孔構造；所述的固體石墨烯由不多于10層的二維六方碳單片層組成，所述的多孔分布在單片層表面及單片層之間。本專利技術還提供了一種固體石墨烯的制備方法，具體是用超聲將氧化石墨均勻分散在水中；在分散了氧化石墨的水溶液中加入C1M短鏈醇作為還原劑，在80 280°C下水熱反應，形成多孔石墨烯水溶膠；將多孔石墨烯水溶膠經真空冷凍干燥后得到多孔的固體石墨稀。本專利技術方法中所述的(卜4短鏈醇還原劑包括甲醇，乙醇，乙二醇，丙二醇或丙三醇中的一種或幾種。本專利技術方法中所述的固體石墨烯由不多于10層的二維六方碳單片層組成。本專利技術方法中所述的真空冷凍干燥在-85 0°C進行，優(yōu)選為-50 _5°C。本專利技術方法中所述的氧化石墨制備將石墨粉置于空氣氣氛的馬弗爐中，在900 1100°C下熱處理；將熱處理后的氧化石墨轉入反應釜中，在反應釜中加入硝酸鈉和98%的濃硫酸，將其置于冰浴中；并在攪拌的條件下加入高錳酸鉀；整個過程中保持蒸餾瓶中的溫度不高于20°C ;將反應釜從冰浴中取出，放置10 30min后，往其中加入去離子水后，再放置10 20min ;最后加入質量百分比為I 10%的H2O2溶液反應。本專利技術方法中氧化石墨烯的水溶液濃度為0. 01 100. Omg/mL。本專利技術方法中的(卜4短鏈醇做還原劑的同時還可起到造孔劑和表面功能改性劑功能及作用。本專利技術的方法還可根據需加入其它造孔劑，如(NH4)2CO3, Na2CO3，二氯二氟甲燒，十~■燒基硫酸納等中的一種或幾種。本專利技術方法中按功能需求還加入表面功能改性劑如羧酸，醚，酯、醛或酮類物質中的一種或幾種。本專利技術采用改良的Hmnmers方法制備多孔固體石墨烯,通過超聲等方法將所制得的氧化石墨分散于蒸餾水中，然后在此水溶液中加入甲醇，乙醇，乙二醇，丙二醇，丙三醇等C1^4短鏈醇中的一種或兩種及以上的組合。將上述溶液在高壓反應斧中于80 280°C水熱處理2 28h獲得多孔石墨烯水溶膠，該水溶膠在-85 (TC下經真空冷凍干燥得到穩(wěn)定的多孔固體石墨烯。通過這種方法制得的固體石墨烯是由單片或多片石墨烯疊層(少于10層)而成的結構，本專利技術的石墨烯與文獻報道的氧化石墨還原法制得的石墨烯相比，本專利技術的石墨烯是固體石墨烯，具有結構穩(wěn)定、不易團聚等特點。同時兼具比表面積大、導電性能優(yōu)良等優(yōu)點，特別適合于用做高能量密度、高功率密度鋰離子電池正、負極材料，超級電容器電極材料，催化材料、催化載體材料以及吸附、水處理等領域。本專利技術提供的固體石墨烯的制備方法包括以下幾個步驟(I)制備氧化石墨0. 01 7. Og石墨粉在預先加熱到900 1100°C的馬弗爐中于空氣氣氛中熱處理5 20s ;在反應釜中加入0. 5 2. 5g硝酸鈉和98%的濃硫酸80 IOOmL,將其置于冰浴中；將熱處理后的氧化石墨轉入反應釜，在不斷攪拌的條件下緩慢加入8 15g高錳酸鉀，整個過程中保持反應釜中的溫度不高于20°C ;將反應釜從冰浴中取出，放置10 30h后，往其中緩慢加入100 200mL 二次蒸餾水、；再放置15分鐘后，加入質量百分比為為量百分比001 10%的H2O2溶液90 150mL以還原過量的高錳酸鉀或錳氧化物。 (2)制備多孔石墨烯在含0. 01 100. Omg/mL氧化石墨烯的水溶液中加入甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇或丙三醇中的一種或幾種作為還原劑、造孔劑以及功能化表面改性齊[J，在80 280°C水熱反應2 28h，形成多孔石墨烯水溶膠。(3)由(2)制備的多孔石墨烯水溶膠在0 _85°C下經真空冷凍干燥得到三維多孔固體石墨烯。本專利技術的有益效果現有技術中所制得的石墨烯只能存在溶液中，因為易團聚而不能有效制備固體石墨烯，使石墨烯的工業(yè)化生產和應用受到了限制。而本專利技術的三維多孔石墨烯不僅在溶液中，即使在固體狀態(tài)下也能穩(wěn)定存在，且其結構不易發(fā)生變化，與石墨及氧化石墨還原石墨烯相比具有更大的表面積和更好的導電性能。當其用做鋰本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種石墨烯材料，其特點在于，所述的材料是由固體石墨烯形成的三維多孔構造；所述的固體石墨烯由不多于10層的二維六方碳單片層組成，所述的多孔分布在單片層表面及單片層之間。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉素琴，涂飛躍，金冠華，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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