[发明专利]一种石墨烯三维分级多孔炭材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯三维分级多孔炭材料及制备方法。 

背景技术

石墨烯是碳原子紧密堆积成的单层蜂窝状结构的一种碳质新材料，由于具有许多优异的物理和化学性质，在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。特别是能源领域，石墨烯具有高导电性，柔韧性好，化学稳定性高等特点，因为超薄的柔韧的石墨烯层不仅可以作为分散性良好的纳米颗粒沉积物的支撑，而且可以同时作为导电基质。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、氧化石墨一还原法、化学气相沉积法外延生长法、电化学法、电弧法以及其他的方法。这些制备工艺复杂，成本高，而且在这些制备方法中，原料的来源都是化学原料，随着当今世界化石能源的逐渐枯竭及所造成的全球环境恶化等问题，制备工艺中化学原料的使用受到越来越多的限制，寻求使用非化学原料以外的自然原料来制备石墨烯成为一大课题。 

发明内容

本发明的第一方面在于提供了一种以椰壳、棕榈壳和杏壳等生物质为原料的制备石墨烯三维分级多孔炭材料的方法，包括以下步骤： 

a)将椰壳、棕榈壳和杏壳等原料破碎后加入到0.1～0.5%的络合剂（如乙二胺四乙酸二钠）溶液中，混匀，再置于恒温水浴锅中，在高于40～100℃的温度下，处理0.5～2.5h后再进行洗涤过滤得到滤渣；

b) 在上述步骤a)得到的滤渣中加入0～10%的H₂O₂溶液，0～15%的乙酸，1～10%的硝酸和质量分数为1～5%的KCl，并对其进行超声处理0～30min后置于恒温水浴锅中，于30～80℃下加热2～16h；

c) 将上述步骤b)得到的混合料经过离心分离或过滤，再用去离子水洗净，干燥后得到产物。

d） 将上述步骤c)得到的产物在高纯惰性气体保护下，于300～700℃下炭化20～120min得到炭化料。 

e) 在上述步骤d)得到的炭化料中加入复合活化剂（KCl, KOH, NaOH, Na₂CO₃, K₂CO_3, ZnCl₂）及5%去离子水，其中活化剂与炭化料的质量比例为0.5～4:1，充分混合后，在700～1200℃活化20～180 min。 

f) 将上述步骤e)得到的产物自然冷却到室温后，用去离子水反复洗涤至中性后烘干得到本发明的石墨烯三维分级多孔炭材料。 

本发明的第二方面在于提供了一种根据上述方法制备的石墨烯三维分级多孔炭材料，该石墨烯三维分级多孔炭材料为薄纱状的织构，这种片层结构自发堆垛成活性炭纳米片，并且表现出由本征起伏所引起的褶皱，这些皱褶可以形成众多的纳米孔道和纳米孔穴，因此，与现有的活性炭相比，本材料具有更大的比表面积。该石墨烯三维分级多孔炭材料具有石墨化炭材料所特有的规则的晶格条纹，由2～10层石墨片层结构组成。由于该材料具有这种分级多孔结构，即大孔/中孔/微孔，因此，使得其他物质在通过该材料的这种结构时，其扩散速度进一步增加。相对于现有技术中的石墨烯而言，该材料的丰富的孔结构，可以存储或吸附更多的其他物质。在该材料用于锂离子电池电极时，由于这种特殊的结构，一方面电解液能够快速的扩散到材料表面，另一方面电子能够快速的在该材料的三维石墨烯网络结构中传输到各个反应活性位上。 

本发明的有益效果在于：采用椰壳、棕榈壳和杏壳等生物质为原料，充分合理的利用了资源丰富的生物废弃物，制备出了一种石墨烯三维分级多孔结构的高比表面积炭材料。生物质是地球上最丰富的可再生资源，主要包括纤维素、半纤维素、木质素以及其他以有机质为主的陆生植物和水生植物等，是一种稳定的可再生有机资源。以其为原料来制备本发明的石墨烯三维分级多孔炭材料，对于环境保护和生态保护具有重要意义。 

另外，该材料的片层结构使得其相对于现有的活性炭而言，具有更大的比表面积，此外，由于该材料中存在分级多孔结构，即有大孔、中孔和微孔，所以，当该材料使用在电池中时，电池中的电解质的运输和扩散速度将进一步增加。相对于石墨烯而言，该材料在石墨烯片层结构上营造了丰富的孔结构，可以存储或吸附更多的其他物质。 

附图说明

图1是本发明的石墨烯三维分级多孔炭材料的扫描电镜照片（分辨率1μm）。 

图2 是本发明的石墨烯三维分级多孔炭材料的透射电镜图片（分辨率100nm）。 

图3 是本发明的石墨烯三维分级多孔炭材料的高分辨透射电镜图片(分辨率5nm)。