[发明专利]复合模板制备三维石墨烯多级网络材料的方法

说明书

本发明涉及一种复合模板制备三维石墨烯多级网络材料的方法,包括下列步骤：对包括三维金属进行化学或者物理改性改善其亲水性；将水溶盐、碳源及去离子水制得前驱体溶液；改性三维金属置于前驱体溶液，以使其与前驱体溶液充分接触；将附着有前驱体溶液的改性三维金属进行干燥处理，得到前驱块；前驱块体置于管式炉中，在流动保护气气氛下快速升温至700‑800℃灼烧20‑40s，使碳源碳化，同时通过三维金属基体的催化作用和盐模板的限域作用生成碳网络/石墨烯的杂化结构，即得到碳网络/三维金属材料；去除三维金属模板；所得的去除模板后的黑色块体，浸入无水乙醇中，对其进行超临界干燥，即得到储能器件用三维石墨烯多级网络材料。

技术领域

本发明属于先进碳纳米储能材料领域，具体涉及一种使用金属及可溶盐复合模板可控制备储能器件用三维石墨烯多级网络材料的方法。

背景技术

电子产品市场飞速发展，对高性能储能器件的需求日益增长，开发新型储能材料刻不容缓。

碳材料具有优异的力学性能和导电性，不仅能够直接制备电极，还能与活性材料复合，作为基底提供自由支撑的导电网络。其中，石墨烯作为一种二维碳纳米材料相较于一维碳纳米材料的碳纳米管，强度大，比表面积高，同时可以带来更多的化学反应结合活性位点。优异的物理化学性质使得石墨烯在储能器件中极具应用前景。但二维石墨烯易团聚、结构不可控导致其实际比表面积远低于预期，表面吸附性低，同时制备困难，限制了其性能发挥。进一步优化石墨烯的组成结构和制备工艺以提高储能器件性能是现今亟待解决的主要问题之一。

保持二维石墨烯本征特性下，将其组装为三维结构，可以赋予材料特定的功能。具有三维连通网络结构的石墨烯不仅具有高孔隙率、高比表面积、高电导，还具有较好的抵抗变形能力，不仅可减轻团聚所造成的比表面积减小，而且可以提高电子的传导效率，从而使得石墨烯基储能器件具有高的能量密度、功率密度，和优良循环稳定性。三维石墨烯在电化学储能领域展现出了巨大的应用潜力，大大拓展了石墨烯的应用空间。但现今报道的三维石墨烯制备方法较为复杂且不环保，而且难以阻止二维石墨烯形成三维结构过程中的再团聚。同时由于三维石墨烯的多孔结构的可控制备仍是难点。因此，开发一种高效、可控、绿色制备具有可控孔及网络结构的三维石墨烯的方法，具有实际意义。

发明内容

本发明以三维金属网络作为催化基体及模板，结合可溶盐模板，利用冷冻干燥与化学气相沉积法合成具有可控孔结构的三维石墨烯多级网络材料。通过对基体、模板及实验参数的调整，实现石墨烯网络的高效、可控、绿色制备，大幅增加石墨烯的比表面积，优化电子传输路径。包括以下过程：

一种复合模板制备三维石墨烯多级网络材料的方法,包括下列步骤：

1)对包括三维金属进行化学或者物理改性改善其亲水性。

2)将水溶盐、碳源及去离子水按照质量比(5-50):(5-20):100的比例制得前驱体溶液。

3)将步骤1)所得的改性三维金属置于步骤2)所得的前驱体溶液中，去除残留在三维金属中的空气以使其与前驱体溶液充分接触；

4)将步骤3)所得的附着有前驱体溶液的改性三维金属进行干燥处理，得到前驱块；

5)将步骤4)所得的前驱块体置于管式炉中，在流动保护气气氛下快速升温至700-800℃灼烧20-40s，使碳源碳化，同时通过三维金属基体的催化作用和盐模板的限域作用生成碳网络/石墨烯的杂化结构，即得到碳网络/三维金属材料，再快速冷却至室温；

6)将步骤5)所得的碳网络/三维金属材料浸入HCl-FeCl₃腐蚀液刻蚀去除三维金属模板，最后利用去离子水反复洗涤，以去除盐模板及杂质离子，得到去除模板后的黑色块体；

7)将步骤6)所得的去除模板后的黑色块体，浸入无水乙醇中，对其进行超临界干燥，即得到储能器件用三维石墨烯多级网络材料。