[发明专利]基于电化学氧化还原制备类生物三维微纳米多孔石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种基于电化学氧化还原制备类生物三维微纳米多孔石墨烯的方法，该方法为：将泡沫镍作为金属衬底，采用化学气相沉积法在镍表面生长数层石墨烯；然后，将镍衬底生长的石墨烯作为工作电极，利用电化学工作站的三电极体系，在恒电压模式模式下，通过室温离子液体氧化还原切割去除石墨烯量子点孔洞，得到类生物三维结构的微纳米多孔石墨烯。本工艺的特点是操作简单，快速制备，反应温和，可批量生产。类生物三维石墨烯的微纳米孔作为“高速公路”，有利于快速传质和电荷传递；纳米孔的缺陷引入大量的官能团，灵敏感知表面电荷分布的变化。比表面积的增加以及丰富的表面微结构，极大提高了多孔石墨烯的电活化性能。

技术领域

本发明涉及一种三维微纳米多孔石墨烯的制备方法，尤其涉及一种基于电化学氧还还原制备类生物三维微纳米多孔石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯由于其比表面积大、力学强度好以及优异的热学和电学性能，自其被发现以来就引起广泛关注，成为各领域的研究的明星材料，挖掘出很多潜在应用。随着全球能源领域的不断增长，三维多孔石墨烯的研发和应用成为备受科研和商业领域的青睐。尤其是，气相沉积法应用于大批量快速制备三维石墨烯以来，石墨烯应用于电子器件、电化学探测和电池材料的相关报道层出不穷并持续上升。然而，孔径太大(100-200微米)以及层间堆叠导致的比表面有限是是电沉积法的显著缺点。基于以上考虑，受自然风蚀地貌的启发，开发具有微纳米多孔结构的三维石墨烯成为一个挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电化学氧化还原制备类生物三维微纳米多孔石墨烯的方法；此方法操作简单，可快速制备，反应温和且容易批量生产，得到三维微纳米多孔结构有利于活性物质的大量附载，以及进一步筛选分离不同大小的活性分子，有利于快速传质和电荷传递以及灵敏感知表面电荷分布的变化。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的是基于电化学氧化还原制备类生物三维微纳米多孔石墨烯的方法，包括以下步骤：

1)将泡沫镍依次浸于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后于真空烘箱中干燥；2)将步骤1)处理后的泡沫镍置于化学气相沉积管式炉中，在惰性气体和氢气的混合气氛中升温到一定温度后，通入一定流量的气态或液态碳源，维持恒温一段时间，然后快速冷却至室温；

3)将步骤2)制得的生长于镍衬底的石墨烯作为整体用作工作电极，在电化学工作站的三电极体系下，置于离子液体电解质溶液中，在恒电压模式一定时间后取出，水洗干燥后得到类生物三维微纳米多孔石墨烯。

上述技术方案中，步骤2)所述的混合气体为氢气和任意惰性气体的混合，惰性气体包括氩气、氮气、氦气，其中氢气流量为25-500sccm，惰性气体流量为50-1000sccm。

所述的温度范围可选择为650-1000摄氏度。升温速率为5-20℃每分钟升温至恒温，保温后快速冷却至室温。所述的保温时长为2-30min。

所述的气态碳源包括甲烷、乙烯、乙炔等，液态碳源包括甲苯、吡啶、吡咯等。

步骤3)所述的三电极体系中，对电极可选择铂丝或铂片电极。参比电极可选择饱和甘汞电极、银/氯化银电极或氧化汞电极。

所述的离子液体电解质可选择为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，溶剂可采用。

所述的电解质溶液中电解质的质量分数通常为1％-10％，恒电压控制在2.5-5V，时长为0.5-60min。

本发明利用化学气相沉积、电化学氧化还原制备了类生物的三维微纳米多孔石墨烯。选择室温离子液体作为电解质，其具有高导电率、低熔点、热稳定性好、溶解性佳等独特优势。电解液与石墨烯层成分接触，阴离子插入石墨烯层间并切割，生成的石墨烯量子点分散于在电解液中，而剩下的是刻蚀除去量子点孔洞的三维石墨烯框架。