[发明专利]一种三维孔状石墨烯骨架的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯骨架的制备方法及其应用。

背景技术

石墨烯材料是一种具有二维蜂窝状结构的单原子层材料，其是构成富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元。自2004年英国曼彻斯特大学安德烈·K·海姆（Andre K.Geim）制备出单层石墨烯以来，受到了科学界和工业界的广泛关注。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能。例如石墨烯的载流子迁移率是商用硅片载流子迁移率的10倍，达到15000cm²V^-1S^-1(Zhang,et al.Nature.,2005，438，201-204.)；石墨烯的强度可达130GPa，是同等重量钢的100多倍（A.K.Gein,Science.,2009,324,1530-4.）；石墨烯的热导率达5000W/m·K，是室温下金刚石的3倍(A.A.Balandin，Nano lett,2008，8，902.)。随着对石墨烯研究的进一步深入，具有特殊结构的石墨烯，如具有三维孔状结构石墨烯越来越受到人们的关注（Cao,et al.small.,2011,7,3163；Hu,et al.Adv.Mater.,2013,25,2219）。

三维孔状石墨烯除了具有石墨烯本身的物化性质外还有许多其它优异的性质，如1、其独特的三维孔洞结构，具有支撑和缓解内部应力的作用，可用于锂离子电池等领域，能有效缓解金属氧化物负极材料在储锂过程中的体积膨胀；2、内部孔洞高度连通，利于导热和导电，可用于导热材料和太阳能电池等领域；3、其孔洞具有毛细吸附力，可用于吸附材料等领域。

目前，三维孔状石墨烯的制备方法主要有以下几种：1、凝胶溶胶法（Cong,et al.ACS Nano.,2012,6,2693；Tang,et al.J.Am.Chem.Soc.,2011,133,9262），此方法一般从氧化石墨烯出发并且在制备过程中需要加入交联剂等有机物，降低了石墨烯的电学和热学性质，限制了其进一步实际应用；2、化学气相沉积法（CVD法）（Cheng，et al.Nat.Mater.,2011,10,424；Cao.et al.Small.,2013,9,1703.），这种三维网络体材料具有三维网络独特的形貌特征和石墨烯独特的物理化学性质，较高的孔隙率和很大的比表面积，但其所用模板为铜、镍等金属模板，其所得石墨烯的孔隙过大，经过刻蚀液去除模板的过程中往往会破坏其三维孔状结构，限制了其应用。因此，目前很难制备高性能、高稳定性的三维孔状结构石墨烯。

发明内容

本发明是要解决目前很难制备高性能、高稳定性的三维孔状结构石墨烯的技术问题，从而提供了一种三维孔状石墨烯骨架的制备方法及其应用。

本发明的一种三维孔状石墨烯骨架的制备方法是按以下步骤进行：

一、将500mg氧化石墨置于石英管中，用分子泵将石英管内真空抽至8×10^-4～9×10^-4Pa，关闭分子泵抽气阀，在真空或充入气体的条件下密封石英管；

二、将步骤一密封的石英管转移至马弗炉中，将马弗炉以5～20℃/分的速率加热至温度为500～1200℃下保温5～30分钟后，将石英管取出并快速浸于冰水中保持1～3分钟；

三、重复步骤二的加热-淬火过程1～9次，最终收集石英管内产物，所得产物即为三维孔状石墨烯骨架。

上述方法制备的三维孔状石墨烯骨架可以与二氧化钛（TiO₂）、二氧化锡（SnO₂）、四氧化三铁（Fe₃O₄）、氧化钴（CoO）、氧化锰（MnO₂）、氧化铜（CuO）、硫化钼（MoS₂）、金纳米粒子（Au）、铂纳米粒子（Pt）或钯纳米粒子（Pd）复合得到三维孔状结构的石墨烯复合材料并应用于锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、光催化、催化氧化、气体传感器、药物输运领域。

本发明包括以下有益效果：

1、本发明制备的三维孔状的P25/石墨烯复合材料组装的锂离子电池比容量是与同样条件下的用纯P25组装的锂离子电池的2.3倍，说明本发明制备的三维孔状的P25/石墨烯复合材料具有高性能和高稳定性。

2、本发明未采用任何化学试剂，无任何化学废弃物产生，是一种环境友好的制备三维石墨烯骨架的方法；

3、本发明是利用加热-淬火过程来剥离氧化石墨，方法简单，可以一次处理克量级以上的氧化石墨，适合大规模生产；