[发明专利]一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，特别是涉及一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法。

背景技术

多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料，是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质，而且孔的存在不仅促进了物质运输效率的提高，特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子、分子的作用。还且孔的存在有效地打开了石墨烯的能带隙，促进了石墨烯在电子器件领域的应用。

通常制备多孔石墨烯的办法有：利用高能电子束、离子束或者光子束等对石墨烯刻蚀的光刻法，但是此种方法制备的纳米孔洞的大小和周期性并不一致，且孔径达到了数百纳米，限制了其在一些领域的应用。在一定温度下，借助催化剂的作用，使特定位置的碳原子被移除，在表面产生孔隙的催化刻蚀法；此种方法虽然相对简单，但孔结构不利于控制，且孔的增加也没有改变石墨烯的整体缺陷密度。采用化学腐蚀技术湿法刻蚀发；此种方法制备的石墨烯容易过氧化而形成较多的缺陷，降低了石墨烯的机械性能，并且反应条件较难控制，孔径分布不均。将碳作为还原剂，还原金属氧化物得到金属单质，而碳原子本身在还原过程中被刻蚀的碳热还原法。综上，制备多孔石墨烯材料的方法虽然较多，但大部分是制备方法较为复杂，制备的石墨烯的孔径较大，制约了多孔石墨烯在一些领域的应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法，首先使用溶胶-凝胶法，在石墨稀片层两面各生长一层介孔结构的二氧化硅，得到“三明治”结构的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料，并在氮气氛围中对其进行煅烧还原，得到“三明治”结构的二氧化硅-石墨烯-二氧化硅复合材料。将“三明治”结构二氧化硅-石墨烯-二氧化硅溶于无水乙醇中，并使用皮秒激光对其进行加工，激光透过二氧化硅上的介孔对石墨烯进行刻蚀加工，最后利用氢氟酸溶液除掉石墨烯表层上的二氧化硅，即得到多孔结构石墨烯，该制备方法制作成本低、绿色节能、便于量产简单，得到的多孔石墨烯比表面积大，通过改变溶胶-凝胶法所使用表面活性剂的种类即可控制石墨烯孔径的大小。

一种激光制备多孔石墨烯的方法，该方法包括如下步骤：

(1)采用溶胶-凝胶法，在石墨稀片层两面各生长一层介孔二氧化硅，得到“三明治”结构的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料。

(2)在氮气氛围中对步骤(1)得到的二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料进行煅烧还原，得到“三明治”结构二氧化硅-石墨稀-二氧化硅复合材料。

(3)将步骤(2)得到的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶解于无水乙醇中，得到二氧化硅-石墨稀-二氧化硅酒精溶液。

(4)设定激光参数，调整激光焦点位置，对步骤(3)中制备的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶液进行加工，同时采用磁力搅拌对溶液进行搅拌并施加水浴。

(5)将步骤(4)得到的溶液与一定浓度的氢氟酸溶液混合，并静置一段时间，使其充分发生反应。

(6)使用离心机对步骤(5)得到的溶液进行离心，除去离心后的上层溶液，即可得到多孔结构石墨烯。

优选的，步骤(1)中溶胶-凝胶法采用的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或泊洛沙姆。

优选的，步骤(2)中的氧化石墨烯煅烧时间为3～5h。

优选的，步骤(3)所述的二氧化硅-石墨稀-二氧化硅酒精溶液的浓度为400～800mg/L。

优选的，步骤(4)中所述的激光相关加工参数如下：采用皮秒激光器对二氧化硅-石墨稀-二氧化硅溶液进行加工，激光聚焦在液面下2～8mm处，激光波长为193～1070nm，脉冲宽度为50～500ps，激光功率为2～5W，激光脉冲重复频率为100KHz～1MHz，激光加工时间60～120min。

优选的，步骤(4)中所述的磁力搅拌器转子转速80～200rpm/min。

优选的，步骤(5)中所述的氢氟酸浓度为10％～30％，静置时间为6～12h。

优选的，步骤(6)所述的离心机转速为3000～4000rpm/min，离心时间为20～40min。

本发明所述的一种基于激光制备多孔结构石墨烯的方法，在溶胶-凝胶法制备“三明治”结构二氧化硅-氧化石墨稀-二氧化硅复合材料时，改变表面活性剂的种类，即可改变二氧化硅上介孔大小，激光加工后，即可得到孔径较小且可控多孔石墨烯材料。相比于传统的制备多孔石墨烯的方法，本发明的优点在于：