[发明专利]石墨烯泡沫及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型材料石墨烯泡沫及其制备方法。

背景技术

碳材料在当今的科学技术领域扮演着至关重要的角色。碳在自然界广泛存在，可以形成金刚石和石墨的晶体结构。随着富勒烯、碳纳米管的发现，人们对碳材料有了新的认识。二维的石墨烯是最近发现的碳元素的又一种存在形式。这种材料具有优异的机械、物理、化学和光学性能。目前人们已经利用机械剥离，碳化硅外延生长，氧化石墨还原，超声分散和化学气相沉积制备了高性能的石墨烯样品(K.S.Novoselov，A.K.Geim，Science 2004，306，666.；C.Berger，Z.Song，X.Li，Science 2006，312，1191.；V.C.Tung，M.J.Allen，Nat.Nanotechnol.2009，4，25.；Y.Hemandez，V.Nicolosi，Nat.Nanotechnol.2008，3，563.；K.S.Kim，Y.Zhao，Nature 2009，457，706.；X.Li，W.Cai，Science 2009，324，1312.)。这种材料在分子电子学，微纳米器件，高转换效率电池，固态气敏传感器，氢储存和复合材料等领域有着重要的应用前景(K.Geim，K.S.Novoselov，Nat.Mater.2007，6，183.；D.Pan，S.Wang，Chem.Mater.2009，21，3136.；X.Lu，Y.X Nat.Nanotechnol.2006，1，163.；S.Stankovich，D.A.Dikin，Nature 2006，442，282.)。石墨烯的二维结构特点使其易团聚，难分散，液相分散法获得的高表面积在后续加工过程中难以维持，使其在高效能量储存方面又受到限制。因此如何干法制备高表面积的新型石墨烯材料是石墨烯研究的一个重要方向。这将使石墨烯在锂离子电池、燃料电池，超级电容器等能量储存领域具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯泡沫及其制备方法。

本发明所提供的石墨烯泡沫是按照下述方法制备得到的：除去石墨烯修饰的金属泡沫材料中的泡沫金属；然后将得到的泡沫材料依次用去离子水、乙醇、乙醚清洗，取出烘干，即得到所述石墨烯泡沫。

可采用常规溶解金属的方法除去石墨烯修饰的金属泡沫材料中的泡沫金属。如可采用盐酸溶解泡沫铁，泡沫钴，泡沫镍，但对于泡沫镍，盐酸溶解较慢，而浓硝酸(质量分数为65％-68％的硝酸溶液)溶解较快，对于泡沫铜一般用氯化铁或硝酸铁(浓度为0.05-0.1g/ml)除去。

本发明所提供的石墨烯泡沫为三维空心多孔网状结构，所述石墨烯泡沫的外孔孔径由泡沫金属的孔决定，孔径大小可为200-500μm，内孔孔径由泡沫金属的尺寸决定，孔径大小可为30-200μm。

本发明中所述的石墨烯修饰的金属泡沫材料可按照包括下述步骤的方法制备得到：

1)将金属泡沫材料放进真空管式炉内，并在非氧化性气氛下进行煅烧；

2)采用化学气相沉积法，在煅烧后的金属泡沫材料上沉积石墨烯，得到石墨烯修饰的金属泡沫材料。

其中，步骤1)中所述金属泡沫材料可选自下述任意一种金属所制成的泡沫材料或由下述至少两种金属组成的合金所制成的泡沫材料：镍、铜、铁和钴，具体可为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁、泡沫钴等。步骤1)中所述非氧化性气氛具体可由氢气、氮气或惰性气体提供。步骤1)中所述煅烧的温度可为800-1100℃，煅烧的时间可为0.5-1小时。

步骤2)中在煅烧后的金属泡沫材料上沉积石墨烯的方法具体如下：维持所述煅烧温度，向所述真空管式炉中通入碳源气体并同时通入氢气，进行石墨烯的生长，生长15-30min后，关闭碳源，在氢气气流下随炉冷却50-100℃后，快速冷却到室温。

其中，所述碳源气体为含碳的有机小分子，具体可为甲烷、甲醇或乙醇；当采用甲烷做碳源时，气体流量为30-50sccm；当采用甲醇或乙醇做碳源时，用30-50sccm的氩气鼓泡。所述石墨烯生长过程中，碳源气体与氢气的体积比为1∶1-1∶2。

步骤2)中在煅烧后的金属泡沫材料上沉积的石墨烯的层数可为1-20层。石墨烯的层数与生长时间以及冷却速度有关，优选层数范围为2-10层。

步骤1)中所述金属泡沫材料在使用前还需按照下述方法进行清洗：将金属泡沫材料依次用去离子水、乙醇、丙酮清洗并烘干。

上述经石墨烯修饰的金属泡沫材料也属于本发明的保护内容。

本发明所提供的石墨烯修饰的泡沫金属以及空心多孔石墨烯泡沫既可作为电极材料，又可以作为储能材料用于能量储存。