[发明专利]一种低温聚合物裂解制备的石墨烯三维多级孔结构粉体

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯三维多级孔结构粉体，特别涉及一种低温聚合物裂解制备的石墨烯三维多级孔结构粉体。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子经sp²电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维结构材料，是C元素的另外一种同素异形体。由A.K.Geim和K.S.Novoselov于2004年，用胶带手撕单晶石墨薄膜的方法，首次得到了稳定的石墨烯。石墨烯是目前已知的世上最薄、最坚硬、室温下导电性最好而且拥有强大灵活性的纳米材料，单层石墨烯的厚度只有0.34nm，比表面积高达2630m²/g，强度高达130GPa，是目前强度、硬度最好的材料，远远大于钢类等金属材料。石墨烯热导率在3000-5000W/mK，载流子密度大于2×10¹¹cm^-2。这些优异的性能，将使得石墨烯材料在半导体产业、光伏产业、二次电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域带来了革命性的技术进步。

起初，科学家们采取机械剥离的方式制备石墨烯，利用粘合胶带对单晶石墨反复粘贴可得到具有少数碳原子层、结构相对稳定和性能优越的石墨烯材料。然而该机械剥离方式制备的石墨烯尺寸较小，效率低下。为了克服该缺点，科学家们采取气相沉积的方式，以铜箔作为模板，在通入CH₄和H₂的条件下，可在铜箔表面合成面积较大的石墨烯材料，但该种制备方法较为复杂，铜的去除带来较大的环境污染。另外，经典的Hummers方法制备氧化石墨烯最为常见，该种方法成本低、可高效率制备大面积石墨烯薄层。但制备的石墨烯存在拓扑缺陷，共轭区域小，在应用上有一定的限制。Walt A.de Heer以SiC为外延生长衬底合成了同样具有高的载流子迁移率，良好的电化学特性的石墨烯，但该种方法受SiC衬底影响较大，制备过程控制较为复杂，且不能大量制。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在制备石墨烯三维构造粉体材料的不足，提供一种以无需粉碎加工的聚合物为原料，制备高导电性、形貌可控的三维多级孔结构石墨烯粉体的方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种低温聚合物裂解制备的石墨烯三维多级孔结构粉体，包含以下操作步骤：

(1)将催化剂金属盐加水，配置成质量浓度为10～60％的金属盐溶液与聚合物混合，搅拌0.1～12h后过滤，取滤渣，清洗干净，烘干；

(2)向步骤(1)中烘干后所得物质中加入还原剂溶液，并搅拌混合均匀，搅拌0.1～12h后过滤，取滤渣，烘干；

(3)向步骤(2)中烘干后所得滤渣中加入相对于原料比为0.2-2的造孔剂，并搅拌混合均匀，烘干，整个烘干过程其中的聚合物无需粉碎；其中，造孔剂加入溶剂中，形成造孔剂溶液；所述的溶剂为水、丙酮、甲醇或乙醇中的一种；

(4)将步骤(3)中烘干后所得物质在保护气氛下，加热，控制温度为700～1000℃，恒温0.5～8h；

(5)将步骤(4)中加热处理后所得物质加入酸性溶液中，酸洗1～12h、过滤、烘干，即得到具有高比表面积、高导电性的石墨烯三维多级孔结构粉体材料，轻轻震荡即得到石墨烯三维多级孔结构粉体。

其中，步骤(4)中加热过程中升温速率为1～10℃/min。

其中，步骤(1)中所述的的催化剂金属盐为铁盐、钴盐或镍盐中的一种或两种以上混合物；其中，所述的铁盐为氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、醋酸铁、醋酸亚铁、亚铁氰化钾、铁氰化钾、亚铁氰化钠或铁氰化钠；所述的钴盐为氯化钴、氯化亚钴、硫酸钴、硫酸亚钴、硝酸钴、硝酸亚钴、乙酸钴、乙酸亚钴、六硝基合钴酸钠或六硝基合钴酸钾；所述的镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍或乙酸镍。

其中，步骤(1)中所述的聚合物为PKS聚合物、酚醛树脂、环氧树脂、聚氯乙烯树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或两种以上树脂的混合物。

其中，步骤(2)中所述的还原剂溶液为还原剂加入水中溶解所得还原剂溶液；其中，所述的还原剂为硼氢化钠、水合肼、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、硫化氢和氯化亚锡中的一种或两种以上混合物。

其中，步骤(3)中所述的造孔剂为氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钠或氢氧化钠中的一种或几种。