[发明专利]一种多级孔道石墨烯/碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用软模板与高分子预聚体自组装合成球型碳单胶束做亚单元，用冷干后的石墨烯气凝胶做基底，通过水热复合，得到含有多级孔道且介孔有序的石墨烯/碳复合材料，属石墨烯基纳米功能碳材料制备工艺技术领域。

背景技术

石墨烯因为其自身极佳的电子传导性，良好的机械和热稳定性和高比表面积，在电化学方面有着广泛而优异的应用。石墨烯气凝胶是氧化石墨烯经过水热、冷冻干燥而成，具有三维网络结构，其自身含有＜2nm的微孔和＞50nm的大孔。介孔碳材料，尤其是有序介孔碳材料具有均一且有序的介孔管道，能增大材料比表面的同时使电子和反应介质更快速而充分的与材料接触，加强电子传导和催化反应活性。因此，多孔碳材料兼有三维石墨烯块体材料和有序介孔碳两者的优点，不但拥有供载流子高速传输的三维通道、高稳定性和高机械强度，同时具有巨大的反应界面和有序可调的介孔结构，这些结构与组成的可调变性为开发石墨烯基有序介孔碳复合材料在电化学能源存储和转换、光催化、吸附和分离等领域的应用提供了广阔的平台。

Zhong-Shuai Wu等以具有多级孔结构的石墨烯基介孔二氧化硅为硬模板，葡萄糖为碳源，通过纳米浇筑法获得了具有大孔-介孔的石墨烯基碳材料。该方法经过硬模板的制备、碳源填充、焙烧、模板的去除等步骤，步骤繁琐，耗时耗工，难以工业化。同时，由于介孔二氧化硅孔尺寸的限制，使得所获得的介孔碳材料的孔径较小约为2 nm，这不利于电解质的传输，限制了其在电化学能量存储和转换方面的应用。

发明内容

本发明以石墨烯气凝胶为三维骨架、通过水热工艺原位有机-有机自组装制备具有多级孔道石墨烯基-有序介孔碳复合材料的方法；本发明方法的特征在于具有以下的过程和步骤：

a. 首先合成高分子预聚体；

b. 将溶解后的表面活性剂与所述的高分子预聚体混合，合成球形单胶束作为亚单元；

c. 将氧化石墨烯水热冷冻干燥成石墨烯气凝胶，并与所述亚单元溶液在130 ℃下水热20小时；控制所述亚单元与石墨烯气凝胶的质量比为（3~8）: 1；

d. 然后将所得固体产物经烘干后通过回流萃取或在惰性气氛下高温焙烧除去表面活性剂，最终得到多级孔道且介孔有序的石墨烯基/碳复合材料；

所述的表面活性剂主要为非离子表面活性剂，主要是三嵌段共聚物F127 (EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆)。

所述的高分子预聚体，即高分子低聚物前驱体，主要是酚醛树脂预聚体；

上述的表面活性剂的去除的方法，可以采用溶液回流萃取法，所用的溶液可以是硫酸，盐酸，硝酸，氢氧化钠，氢氧化钾等；也可以采用惰性气氛保护下的高温焙烧法，焙烧温度为700 ^oC；最终得到多级孔道且介孔有序石墨烯基/碳复合材料。

本发明的机理和特点

本发明以石墨烯气凝胶为三维骨架，通过水热路线原位有机-有机自组装制备具有多级孔道石墨烯/碳复合材料的制备方法，其特点在于：本发明材料含有大量的能提供与双电层电容器比电容量成正比的高比表面积的微孔和介孔，同时含有的大孔结构可以形成离子缓冲池，使离子到材料界面的缓冲距离变短，另外三维石墨烯交联的小孔、介孔和大孔在超导的石墨烯的支持下提供离子通道加速离子传输，在双电层电容器和锂离子电池负极材料方面有着广阔的应用。

附图说明

图1是，二维六方（p6mm）结构的有序介孔三维石墨烯/碳复合材料的透射电镜图谱。

图2是，有序介孔三维石墨烯/碳复合材料的透射电镜图谱。

图3是，二维六方（p6mm）结构的有序介孔三维石墨烯/碳复合材料的特征氮气吸附－脱附等温线（A）和孔分布曲线（B）。

图4是，二维六方（p6mm）结构的有序介孔三维石墨烯/碳复合材料的循环伏安法测试曲线。

图5是，二维六方（p6mm）结构的有序介孔三维石墨烯/碳复合材料的恒流充放电曲线。

图6是，二维六方（p6mm）结构的有序介孔三维石墨烯/碳复合材料在全固态超级电容方面的应用示例。

图7是，二维六方（p6mm）结构的有序介孔三维石墨烯/碳复合材料作为全固态超级电容扫描所得循环伏安曲线。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1