[发明专利]一种高度有序可控层厚的介孔石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种高度有序可控层厚的介孔石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯材料因具有优异的导电性而得到广泛的应用，因二维石墨烯存在着交叉重叠等问题，目前多数研究将二维石墨烯转化为三维石墨烯骨架结构，三维石墨烯骨架结构具有良好的导电性、导热性和优异的机械性能和孔体积特性，通过一定的表面修饰后，可以用作电极材料和储能材料等

石墨烯材料的制备方法主要包括微机械剥离法，氧化石墨还原法，化学气相沉积法以及石墨差层法等^[1-4]。微机械剥离法容易获得高质量的石墨烯，但是面积小，不容易工业生产，并且随机性大。氧化石墨还原法是首先制备氧化石墨，再通过还原的方法值得石墨烯，但会导致晶体的不完整性。化学合成法是以大分子或者小分子有机物为前驱体，在碱金属催化或环化脱氢等过程中采用自下而上的方法制备石墨烯，这种方法反应复杂，制备时间长。而化学气相沉积法是以金属单晶或金属薄膜为衬底，在其表面高温分解含碳化合物得到单层石墨烯，这种方法可以制备二维平面的石墨烯薄膜，并且可以大面积生产，可用于电子器件的研究。Yucong Jiao等通过制备Fe3O4纳米超晶格通过煅烧、刻蚀、高温石墨化处理得到了三维高度有序的介孔石墨烯骨架，但制备的石墨烯骨架孔壁较厚且厚度不可控。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种高度有序可控层厚的介孔石墨烯的制备方法，其通过两次配体交换，可以使Fe₃O₄纳米颗粒表面包覆有不同长度碳链的有机分子，然后溶剂挥发诱导单分散Fe₃O₄纳米粒子自组装为高度有序超晶格，结合高温碳化酸刻蚀处理获得高度有序介孔材料，再对介孔碳高温煅烧，可以得到高度有序的不同层厚的介孔石墨烯骨架。此介孔石墨烯结构有序、孔道连续、比表面积较高。具体步骤如下：

(1)以油酸铁作为前驱体，以油酸(或油胺)作为配体，采用高温溶液法制备单分散Fe₃O₄纳米粒子，所得纳米粒子表面由油酸(或油胺)配体分子所包覆，纳米粒子的粒径和形貌可以通过调变温度、配体用量、溶剂等进行调制；将上述纳米粒子溶于非极性溶剂中，形成稳定的Fe₃O₄纳米粒子胶体溶液；

(2)将所得的Fe₃O₄纳米粒子胶体溶液置于离心管内，向其中加入适量的亲水溶剂。逐滴加入HBF₄(NOBF₄)，边加边震荡，直至纳米粒子交换到亲水溶剂相；加适量反溶剂，离心，将所得纳米粒子溶于亲水溶剂中；

(3)将所(2)得的Fe₃O₄纳米粒子胶体溶液置于离心管内，向其中加入适量的非极性溶剂；逐滴加入含碳有机化合物除油酸、油胺，边加边震荡，直至纳米粒子交换到亲水溶剂相；加适量反溶剂，离心，将所得纳米粒子溶于非极性溶剂中；

(4)将所(3)得Fe₃O₄纳米粒子胶体溶液置于瓷舟中，控制溶剂挥发速率，诱导纳米颗粒自组装，溶剂完全挥发后即得到具有高度有序结构的纳米粒子超晶格；

(5)将纳米粒子超晶格在氮气或氩气下进行高温煅烧，碳化纳米粒子表面的含碳有机化合物(除油酸、油胺)配体分子，得到碳包覆的Fe₃O₄纳米颗粒超晶格；

(6)将碳包覆的Fe₃O₄纳米粒子超晶格材料分散于强酸中进行刻蚀处理，去除Fe₃O₄纳米粒子后得到具有高比表面积、三维连续孔道结构的介孔碳材料；

(7)将所得的介孔碳材料进行高温石墨化处理，可以得到高度有序的不同层厚的介孔石墨烯骨架。

本发明中，步骤(1)所述高温溶液法的反应温度为250～330℃，反应时间为0.5～2小时；油酸(或油胺)的浓度为1.5～4.5mM，所用反应溶剂为十六烯，辛醚，十八烯，二十烯中的一种或多种组合；所得金属氧化物纳米粒子粒径为5～50nm；所述非极性溶剂为正己烷、辛烷、甲苯、氯仿、四氯乙烯、四氢呋喃中的一种或多种组合。

本发明中，步骤(2)所述的亲水溶剂可以为DMF、DMSO、乙腈中的一种或者多种。所述的反溶剂可以为甲苯、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或者多种。