[发明专利]一种多孔石墨烯及多孔石墨烯膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔石墨烯及多孔石墨烯膜的制备方法。

背景技术

石墨烯具有优异的电学、热学和机械性能，并且具有较高的理论比表面积（理论计算值为2600m²/g）。在过去的几年里，很多的方法被用来制备石墨烯，包括化学气相沉积法、外延生长法、物理剥离法、化学还原法、液相超声剥离法以及自下而上合成法。其中，化学还原法是目前材料科学领域使用最广泛的制备石墨烯的方法。化学还原法又被称作还原石墨烯氧化物法，按照还原方式可以分为化学试剂还原、电化学还原、高温热还原、溶剂热还原和光化学还原。石墨烯氧化物表面含有多种含氧官能团和缺陷，经过还原之后，大部分的含氧官能团可以被除去，但是缺陷仍然会留在石墨烯片层上。为了得到更加完美的石墨烯，化学气相沉积等方法被用来修复通过化学还原方法制备的石墨烯表面的缺陷。

多孔石墨烯，是在石墨烯片层结构上引入纳米级的孔（Xu,P.;Yang,J.;Wang,K.;Zhou,Z.;Shen,P.Porous Graphene:Properties,Preparation,and Potential Applications.Chin.Sci.Bull.2012,57(23),2948-2955.），即对石墨烯表面“缺陷”进行设计和加工得到的产物。对于多孔石墨烯的研究，是对其表面缺陷结构的利用。基于石墨烯的优异性能和二维纳米结构，多孔石墨烯表面的孔结构可以赋予其新的性能和应用，比如，气体的分离与纯化、DNA测序、海水脱盐、离子通道。

目前，多孔石墨烯主要是利用高能物质对石墨烯片层进行轰击或辐射，发生刻蚀获得纳米级的孔结构，这些高能物质有氦离子、电子束和激光。然而，由于这些方法需要一定的设备，成本高、产率低，因此，多孔石墨烯的研究工作主要集中在计算科学和器件研究领域，对其在材料领域的性能研究相对较少。因此，发展一种简单、高效的制备多孔石墨烯的方法，实现多孔石墨烯的大量制备，对于多孔石墨烯在材料科学领域的研究和应用的意义很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、高效的制备多孔石墨烯的方法，以及制备多孔石墨烯膜的方法。

碳热反应是一种经典的化学反应，在高温的条件下，绝大部分含有金属和氧元素的化合物可以被碳还原为低价态的金属氧化物或金属单质，甚至形成金属碳化物。在碳热反应中，碳作为还原剂，被含有金属和氧元素的化合物氧化生成一氧化碳或者二氧化碳。本发明的发明人意外地发现，纳米材料具有较高的表面能，石墨烯作为一种二维的碳纳米材料，与金属和氧元素的化合物纳米颗粒可以在相对较低的温度下发生碳热反应。由于石墨烯是由单层碳原子形成的二维纳米结构，表面碳原子被氧化之后在表面留下缺陷，即孔结构，形成多孔石墨烯。

基于上述发现，本发明提供了一种多孔石墨烯的制备方法，其中，该方法包括，将石墨烯和/或石墨烯氧化物与刻蚀剂混合，得到混合物；在无氧条件下，对混合物进行碳热反应，并进行酸处理以除去未反应的或反应后的刻蚀剂；所述刻蚀剂为金属氧酸盐、金属氢氧化物和金属氧化物中的一种或多种。

本发明还提供了一种多孔石墨烯膜的制备方法，其中，该方法包括，将刻蚀剂分散在石墨烯和/或石墨烯氧化物膜上，在无氧条件下进行碳热反应或者电子束刻蚀，并进行酸处理以除去反应后或刻蚀后的刻蚀剂；所述刻蚀剂为金属氧酸盐、金属氢氧化物和金属氧化物中的一种或多种。

本发明提供的多孔石墨烯，孔径在1-200nm之间，出孔率能达到5-80%。

多孔石墨烯的研究丰富了石墨烯衍生物的范畴，有效的利用了石墨烯衍生物表面的缺陷结构，在锂离子电池、超级电容器电极、催化材料等涉及组分迁移的体系中，可以有效的提高电解液或反应物的扩散和迁移，有利于材料性能的提高。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例1.1制备得到的多孔石墨烯样品的TEM照片；

图2为实施例2.7制备得到的多孔石墨烯样品的TEM照片；

图3为实施例3.1制备得到的多孔石墨烯样品的SEM照片；

图4为实施例6.1制备的多孔石墨烯薄膜样品的SEM照片；

图5为实施例7.1制备的多孔石墨烯薄膜样品的SEM照片。

具体实施方式