[发明专利]一种活化石墨烯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高性能碳素料领域，具体涉及一种活化石墨烯片及其制备方法。

背景技术

2004年，由英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫通过简单胶带粘撕法得到高品质石墨烯片之后，由于石墨烯以极其优越的物理性能，奇异量子霍尔效应、超高的热导率、良好的电化学性能等特性，在半导体、新能源等新材料和器件的开发中有着广泛的应用。石墨烯是一种二维材料，理论上比表面积达2600m²/g，大的比表面积以及超高的导电性，使石墨烯成为各种电化学器件电极材料等热门研究方向。但实际中，由于石墨烯的二维大π共轭体系特性，在制备过程中容易发生团聚，层与层之间发生堆叠，这将大大降低石墨烯高比表面积在新型器件如超级电容器间的充分利用，从而降低材料的性能。提高石墨烯比表面积的利用在各个器件上应用的方法还在不断被挖掘出来，如何最大限度的利用石墨烯的比表面和导电性仍然是一个挑战。

活化是一种常用的制备多孔炭材料的方法。通过活化可以提高炭材料的比表面积和电容性能。化学活化是比较常用的活化方法，通过在石墨烯片增加多孔结构，达到增大比表面积的效果。孔的形状和大小分布决定着石墨烯片在各个器件如超级电容器电极材料的性能。研究发现通过KOH活化氧化石墨烯可制备出高比表面积的活性炭材料（活化石墨烯）。在KOH活化的过程中，由于KOH的腐蚀作用，在氧化石墨烯中引入大量纳米尺寸的孔洞，最终形成多孔的石墨烯三维网状结构。氧化石墨烯经过活化后，导电性能得到提高，功率密度也很高，在电解质溶液中循环稳定性很好，电容性能优异。然而，目前制备活化石墨烯是以难以量产且昂贵的氧化石墨烯为原料，制备成本居高不下，因此在很大程度上限制了活化石墨烯在新型器件如锂离子二次电池和超级电容器的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活化石墨烯片及其制备方法，制得的活化石墨烯片导电性好，比表面积大，中孔含量多，杂质少；制备成本低、设备投入少，操作简单，易实现产业化；电化学性能优良，物理化学稳定性好；避免了以氧化石墨烯为原料制备活化石墨烯片存在的成本昂贵、导电性差等方面的不足，在锂离子二次电池负极材料及超级电容器电极材料等各种器件的开发及新材料具有广泛的应用价值。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

以石墨烯片为原料，通过添加硫酸、硝酸及高锰酸钾对石墨烯片进行插层处理，然后采用KOH活化工艺制得活化石墨烯片。

制备方法的具体步骤如下：

（1）石墨烯片的插层处理

原料：碳含量>99.0%的石墨烯片

插层剂：高锰酸钾（化学纯）、硝酸（化学纯）和硫酸（化学纯）

将高锰酸钾、硝酸和硫酸混合均匀，加入石墨烯片，搅拌反应，加入浓度为30％的双氧水，至溶液不产生气泡为止，将产物水洗至中性后，真空干燥；

工艺参数如下：

硝酸、硫酸与高锰酸钾的质量比：1-5：1-10：0.1-1

石墨烯片与插层剂的质量比：1:2-1:20

石墨烯片厚度：1-15 nm

反应时间：30-120 min

搅拌速度：50-500 rpm

干燥温度：50-100℃

真空度：1.0×10^-1-1.0×10⁵ Pa

干燥时间：2-10 h；

（2）与KOH的混合

将步骤（1）所得石墨烯片与KOH混合，室温下搅拌，静置，65℃干燥24h；

工艺参数如下：

石墨烯片与KOH的质量比：1:1-1:10

室温：15-25℃

搅拌时间：1-4 h

搅拌速度：50-500 rpm

静置时间：8-12 h；

（3）活化

将步骤（2）所得混合物装入刚玉坩埚中，置于气氛炉中，通入保护气氛，然后以一定的升温速率升温至活化温度，保温；

工艺参数如下：

保护气氛：N₂或者Ar

气体流量：50-200 mL/min

升温速率：3-10℃/min

活化温度：600-1000℃

保温时间：1-6 h；

（4）洗涤、干燥

往步骤（3）所得产物中添加盐酸溶液，在25℃下反应，然后用去离子水洗至中性，真空干燥；

工艺参数如下：

盐酸溶液的浓度：1-6 mol/L