[发明专利]一种具有中孔的高比表面活性石墨烯、其制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种高比表面活性石墨烯材料的制备方法，具体涉及一种具有中孔的高比表面活性石墨烯的制备方法，属于石墨烯材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，它只有一个碳原子的厚度，为目前人工制得的最薄（厚度0.335nm）却也是最坚硬（能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂）的纳米材料，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元。

石墨烯是目前最坚硬的纳米材料（拉伸模量E≈1.01TPa和极限强度σ≈130GPa），透光率高（只吸收2.3%的光）；导热系数（高达5300W/m·K）高、电子迁移率（超过15000cm²/V·s）高，均高于碳纳米管和金刚石；电阻率（约10^-6Ω·cm）低，比铜或银更低为目前电阻率最低的材料；石墨烯的比表面积高（理论比表面积高达2630m²/g）。石墨烯还能够在常温下观察到量子霍尔效应。因为石墨烯的电阻率低，电子的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

石墨烯被广泛应用于超轻防弹衣、超薄超轻型飞机材料等；基于石墨烯优异的导电性，石墨烯在微电子领域具有巨大的应用潜力，有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机；作为单层碳原子结构，石墨烯的理论比表面积高达2630m²/g。如此高的比表面积使得以基于石墨烯的材料成为极有前途的能量储存活性材料，使得石墨烯材料有可能在储氢、新型锂离子电池、超级电容器或者燃料电池得到应用。石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如储氢、新型锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。

目前，自由态石墨烯制备方法分物理路径和化学路径，其中，石墨烯的化学制备主要有两种，即“自上而下”对石墨烯进行解离和“自下而下”的气相合成或化学合成。机械方法包括微机械分离法或撕胶带发（粘贴HOPG）、取向附生法和加热SiC的方法，这些方法主要用于微电子等物理研究，但其缺点在于可控性较差且产率低，难以实现批量化制备。

在石墨烯的现有制备方法中，以化学分散法最为适应于大规模生产石墨烯材料，尤其是粉末状石墨烯材料。但是，现有技术的几种方法得到的石墨烯粉末的比表面积均在1000m²/g以下，一般小于700m²/g，远低于石墨烯的理论比表面积，此技术瓶颈约束了石墨烯材料的进一步应用。

目前工业上制备高比表面活性石墨烯的方法基本为化学活化法，通常以KOH作为活化剂，制备高比表面活性石墨烯，但所使用的KOH为溶液，对设备腐蚀严重，且产量小，不能满足市场需求。CN102070140A公开了一种利用强碱和碳在高温下的反应，对热处理或者微波辐照得到的石墨烯粉末进行进一步化学处理，从而快速的、大批量的在石墨烯表面腐蚀出纳米量级的微孔，极大地提高其比表面积。但该发明选用的强碱试剂为配制的强碱水溶液，浓度为0.2-20mol/L，对设备的腐蚀严重，操作步骤繁琐，生产效率不高，且制备出的高比表面活性石墨烯大部分为微孔。

并且，现有技术中，化学活化法制备大比表面积石墨烯的方法，对活化剂的选择和使用量的控制非常困难，活化能力太强导致石墨烯活化反应过度，往往得不到需要的产品，甚至由于活化能力太强导致反应过度，生成活化剂与碳的盐类；而活化能力太差的活化剂往往又达不到很好的活化效果，起不到增大石墨烯比表面积的作用。

而在高比表面活性石墨烯中，石墨烯的孔径对石墨烯的电学、化学等方面性能有着重要的作用，孔径过大，石墨烯完整性不好；孔径过小，石墨烯的比表面活性表现较差。而对于高比表面活性石墨烯来说，孔径大小的控制也是一个技术问题。

因此开发一种成本较低、电容性能优异的高比表面活性石墨烯的制备方法，是本领域的一个技术问题；尤其是开发一种具有中孔的高比表面活性石墨烯的制备方法，是本领域一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种生产成本低、工艺步骤简单、对生产设备腐蚀小，能够保持石墨烯材料高比表面活性，且孔径适中的石墨烯的制备方法。

本发明的目的之一是通过如下技术方案实现的：

一种具有中孔的高比表面活性石墨烯的制备方法，所述方法为将氧化石墨剥离得到的石墨烯与磷酸溶液进行混合浸渍，然后进行活化，经洗涤，过滤和干燥得到具有中孔的高比表面活性石墨烯。