[发明专利]一种纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化石墨烯材料制备技术领域，具体涉及一种纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯是经石墨剥离的由一层碳原子组成的二维晶体，它具有碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，是构建其它维度碳质材料(如零维的富勒烯，一维的碳纳米管和三维石墨)的基本单元。石墨烯的独特二维结构和完美的晶体结构使其具有高导电性、高机械强度、高导热性和奇特的光学性质，已被广泛的应用于晶体管等信息器件。在纳米复合材料、电池及超级电容等领域，二维平面石墨烯层间的组装形式尤为重要。通常情况下，干燥过程中，由于石墨烯表面张力的作用会导致石墨烯层间相互堆垛，石墨烯的自身性质会显著下降，严重影响其后续应用的性能。

三维多孔石墨烯不仅具有石墨烯的优良性状，其多孔结构还使它具有比表面积大、机械强度高和电子传导能力突出等优良性质。Ji-Lei shi等人在材料化学杂志(Ji-Lei shi,et al.Journal of Materials Chemistry,2014,2,10830)已报道了利用水热法合成三维石墨烯的方法其中披露了将氧化石墨烯溶液加入反应釜中150℃下反应5小时后室温干燥得三维氧化石墨烯凝胶，该法所得到三维多孔石墨烯的孔径分布不均匀，直径从几微米到几十微米，比表面积较小(100～300m²/g)。此外，2012年韩国学者(Bong Gill Choi,et al.ACS Nano,2012,5,4020)报道了利用PS作为模板，组装氧化还原法制备三维多孔石墨烯材料的方法，该法所制得的材料的孔直径1-2μm，其比表面积也较低(仅为194m²/g)，无法达到应用要求。

目前，采用现有方法所获得的三维石墨烯多孔材料，所得到的石墨烯孔径多是微米级的，孔隙率较低，比表面积较小，这将严重制约三维石墨烯多孔材料在光伏、储能器件、储热器件等材料领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯及其制备方法，克服现有技术的不足，通过氧化石墨烯溶液包覆二氧化硅球形成薄膜，刻蚀后的薄膜经干燥和高温还原处理，得到孔道稳定的纳米-微米分级孔道三维石墨多孔材料，所述材料的孔道分级明显，比表面积大，导电性能良好，制备成本低廉，适用于锂离子电池领域。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯，所述三维石墨烯的O含量为5～30wt％，厚度为20μm～10mm，比表面积为400～1200m²/g，电导率为1～100S/cm；所述三维石墨烯的纳米和微米孔道直径分别为10～300nm和0.5～50μm。

所述的三维石墨烯的第一优选技术方案，组成所述三维石墨烯的石墨烯片层数为1～300，横向尺寸为0.5～500μm。

所述的三维石墨烯的第二优选技术方案，所述三维石墨烯的O的含量为9～15wt％；所述石墨烯片的层数为1～40。

一种所述三维石墨烯的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)配制混合液：将修饰的Hummers法制得的氧化石墨烯溶液与二氧化硅超声处理0.5～3h；

2)制备三维氧化石墨烯：真空抽滤步骤1)所制混合液得薄膜，依次用还原剂和刻蚀液处理所得薄膜，真空或冷冻干燥；

3)制备三维石墨烯：于Ar气氛中、300～1000℃温度下，还原步骤2)所得三维氧化石墨烯0.5～20h。

所述制备方法的第一优选技术方案，所述二氧化硅包括质量比为0.1～10的直径分别为20～300nm和1～60μm的二氧化硅球。

所述制备方法的第二优选技术方案，步骤2)中所述的还原剂为水合肼、硼氢化钠、维生素C或HI。

所述制备方法的第三优选技术方案，步骤2)中所述的刻蚀液为氢氟酸的水溶液。

所述制备方法的第四优选技术方案，所述二氧化硅包括质量比为1的直径分别为20～160nm和1～20μm的二氧化硅球。

所述制备方法的第五优选技术方案，所述步骤3)是于900℃下，还 原2h。

所述纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯用于锂离子电池电极材料的应用。

与最接近的现有技术比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明的纳米-微米分级孔道结构的三维石墨烯的孔道结构稳定，具有高比表面积、高导电性，可用作锂离子电池的电极材料；