[发明专利]一种三维石墨烯的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种三维石墨烯的制备方法及其应用，该方法是将含氧有机聚合物与铜盐混合后，置于惰性气氛围中煅烧，煅烧产物经过三氯化铁溶液洗涤、干燥，即得三维石墨烯；该方法操作简单便、周期短，产率高，有利于工业化生产；得到的三维石墨烯材料，可用作钠离子电池电极材料，且具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种三维石墨烯材料的制备方法，特别涉及利用金属铜盐与含氧有机聚合物制备三维石墨烯的方法及其在钠离子电池中的应用，属于钠离子电池电极材料的制备技术领域。

背景技术

石墨烯是由sp²碳原子连接形成二维片状结构，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，是已知材料中的最薄的一种。作为单质，石墨烯的电子传递速度可以达到15000cm²/Vs，超越已知的所有导体。得益于石墨烯自身特殊的原子排布，该材料的抗拉强度可以达到125GPa，并且该材料的弹性模量为1.1TPa。石墨烯同样也是一种优良的热导体，它的载流子密度较低，而传热主要依靠于声子传播，导热系数高达5*10³W/m K，此外，所有碳原子之间相互作用，形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，使得材料的电导率为10⁶S/m，较高的电导率使得材料在储能领域有着很高的发展前景。

然而，石墨烯间强烈的范德瓦尔斯相互作用，致使均匀的单分散的石墨烯极易发生团聚现象。严重影响了石墨烯材料的机械性能强度，高的传热速率，高的导电率等优势，阻止了石墨烯材料在能源，生物，环境等领域的进一步运用。通过石墨烯片状结构构建三维网络结构，有效的缓解了石墨烯材料的团聚现象，避免了单个石墨烯片层的重复出现，这对于维持石墨烯材料的内部特性十分重要。三维石墨烯构建被视为最为有效的手段推进石墨烯的发展，人们一直致力于开发新型的三维石墨烯网络结构。

传统的三维石墨烯的制备方法分为机械剥离法，外延生长法，化学气相沉积法，化学剥离法等，然而机械剥离法虽然可以合成出纯度较高的三维石墨烯，可是耗能较大，产率较小。而外延生长法与化学气相法，虽然可以合成性能优异的三维石墨烯材料，可是生产工艺复杂，代价较大，并不适合材料的大规模生产。而化学剥离的合成方法，较多的要用到有毒的化学试剂，阻止了该方法的商业化。

发明内容

针对现有的制备三维石墨烯材料的方法存在的缺陷，本发明的一个目的是在于提供一种原料来源广、步骤及操作简单、周期短、产率高的制备三维石墨烯的方法。

本发明的另一个目的是在于提供一种所述三维石墨烯的应用，三维石墨烯具有三维网络框架结构，一方面有利于电解液的浸润，且形成三维导电网络结构，具有较好的电化学活性，将其用于钠离子电池，具有高容量、高功率、长寿命等优异性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种三维石墨烯的制备方法，该方法是将含氧有机聚合物与铜盐混合后，置于惰性气氛围中，在400～800℃温度下进行煅烧，煅烧产物经过三氯化铁溶液洗涤、干燥，即得。

优选的方案，含氧有机聚合物与铜盐的质量比为1:1～20。较优选的比例为1:1～10。最优选为1:5～10。如果铜盐比例过低，导致在生成三维石墨烯的过程中，模板剂不足，进而造成材料的三维结构不能生成。而铜盐过多，会造成资源的浪费，对三维石墨烯的形貌影响不大。

较优选的方案，所述含氧有机聚合物选自碳量子点、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲醛、聚环氧乙烷、环氧树脂、聚碳酸酯、聚四氢呋喃、聚苯醚、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯酸、聚醛树脂、间苯二酚甲醛树脂、酚醛树脂中至少一种。更优选为碳量子点、聚乙二醇、聚乙烯醇、酚醛树脂中至少一种。更优选为碳量子点。优选的含氧有机聚合物中富含氧，在碳化、石墨化过程中更容易与铜作用，聚集组装形成三维网络框架结构。同时采用含氧有机聚合物能对三维石墨烯材料进行适量的氧掺杂，以提高三维石墨烯的电化学性能。