[发明专利]具有随机和不规则三维气孔的石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有随机和不规则三维气孔的石墨烯及其制备方法。

背景技术

目前，作为基于碳的材料，例如碳纳米管(carbon nanotube)、金刚石(diamond)、石墨(graphite)、石墨烯(graphene)、石墨烯氧化物(Graphene oxide)等在多样领域的纳米技术研究组中得到研究。这些材料可被利用于生物传感器(biosensor)、纳米复合物(nanocomposite)或量子装置(quantum device)、电极材料(Electrode)等。石墨烯是碳基材料中的一种二维材料，是一种能带间隙为0(zero gap)的半导体材料。近年来，与石墨烯电化学特性有关的各种研究已被报道。

石墨烯是由sp2碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的二维纳米片(2-D nanosheet)，只有一个碳原子厚度的单层结构。

一般来说，石墨烯作为一种新型材料，具有优良的物理及化学稳定性，高比表面积，以及优良的导电特性，因而备受瞩目。并且，根据这些物性，石墨烯可以用作有效模具，可以镀上纳米大小的金属氧化物。

另外，制备现有石墨烯纳米片的方法主要采用了通常溶液法，即在溶液中合成石墨烯。

根据所述方法，先由石墨合成石墨氧化物。石墨氧化物的合成方法，通常采用Hummers method法。根据所述方法，在常温下，将常规石墨浸于高浓度H₂SO₄溶液中，充分搅拌后，向石墨浸渍溶液中投入KMnO₄。接着，向含有所述KMnO₄的混合溶液中添加少量的H₂O₂，其与石墨发生氧化反应形成石墨氧化物。接着，利用离心分离器，并用蒸馏水和乙醇多次洗涤后，将得到的粉末在干燥器中完全干燥，以结束石墨氧化物的合成步骤。接着，将所述石墨氧化物分散于水中进行超音波处理，使石墨氧化物剥离(exfoliation)成单片。接着，向溶液中投入适当量的还原剂(如NaBH₄等) 进行搅拌，则所投入的还原剂使石墨氧化物的含氧基团脱出，即可得到单片的还原石墨氧化物，即石墨烯。

目前，石墨烯作为碳基材料，可以作为用于纳米电子元件集成的基本单位使用，因而备受瞩目，并且作为电极材料，石墨烯有无限的利用性。目前的研究焦点主要集中于二维石墨烯及石墨烯氧化物纳米片，这是因为，这种石墨烯氧化物结构可在水溶液中有效分散，并且可以转换或还原为具有特定基团的结构。

同二维石墨烯纳米片的优势，三维石墨烯作为传感器或电极材料，具有高比表面积和气孔结构，引起相当大的关注。为了制备这种三维石墨烯结构，曾试图过将二维片形石墨烯转换成中空结构的胶囊形或夹层层状结构的三维形。

发明内容

技术问题

本发明的目的在于，提供一种具有随机和不规则三维气孔的石墨烯及其制备方法。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种内部具有三维气孔的石墨烯粒子，其由多个石墨烯片折叠而成，并且平均直径为1～30μm。

当粒子的平均直径在1μm以下时，粒度太低，石墨烯不会形成褶皱形的均匀粒子，而是保持扁平或板状结构，很难采取结构优势。当粒子的平均直径在30μm以上时，从结构特性上讲体积变大，因而振实密度减小，存在着难以实现相对较高的电容值等问题。因此，本发明石墨烯粒子的平均直径优选为1～30μm。

本发明石墨烯粒子的特征在于，其内部具有三维连接的气孔，所述气孔为封闭式或开放式。在本发明中，所述三维连接的气孔指的是：由多个石墨烯片叠层折叠时在多个石墨烯片之间形成的气孔，或者石墨烯片形成似乎纸张起皱的状态时在内部形成的气孔。

所述气孔为封闭式指的是虽然在内部生成气孔，也不与粒子外部连接。所述气孔为开放式指的是气孔与粒子外部连接。

本发明的石墨烯粒子可以呈棉球形、棉花糖形、或者纸张褶皱成球形的形状，内部具有三维气孔的形状，并不限定于这些形状。

本发明石墨烯粒子的特征在于，所述石墨烯粒子构成为构成粒子的褶皱形石墨烯单片的末端部朝内形成。即，本发明石墨烯粒子的特征在于，构成粒子的石墨烯粒子的末端朝内形成，通过朝内部折叠或弯曲，使得末端所形成的端部即边缘部(edge)不露出在表面上。