一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法技术

本发明专利技术属于石墨烯技术领域，尤其涉及一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，至少包括以下步骤：在石墨烯类分散液中加入含硫物质和酸，充分搅拌得到混合分散液；将第一步得到的混合分散液加入水热反应釜中进行水热反应；将第二步得到的水凝胶在去离子水中进行充分的浸泡，去除杂质，之后进行水分脱除；将第三步得到的待处理产物进行脱硫处理，得到三维多孔石墨烯宏观体。相对于现有技术，本发明专利技术通过在水热过程中将硫作为模板引入到石墨烯三维宏观体中，再通过简单的热处理将硫脱除之后，可以提高石墨烯三维宏观体的孔隙尺寸。而通过精确控制硫的引入量，可以大范围精确地对宏观体的孔隙结构进行调控，从而能够应用在不同的储能器件中。

【技术实现步骤摘要】
一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法
本专利技术属于石墨烯
，尤其涉及一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法。
技术介绍
模板法是制备多孔碳材料的有效方法，常用的模板有硬模板和软模板。其中常用的硬模板有二氧化硅、泡沫镍和PS球等聚合物球，软模板包括各种表面活性剂和双亲性分子。硬模板涉及到复杂的模板制备过程，且在模板的去除过程中需要使用一些有毒试剂。而软模板，如自组装的有机分子链等，热稳定性差，容易除去，但其尺寸大小有限，对于多孔碳材料的孔隙调控来说，范围有限。因此，寻找一种有效的兼具硬模板和软模板的优势的模板，其既易除去，且具有较大的孔隙调控范围，具有十分重要的意义。石墨烯作为典型的二维柔性碳材料，组装成三维宏观体，具有大的比表面积、丰富的孔隙率，以及良好的导电性,在储能领域具有很好的应用前景。以离子液体为电解液的超级电容器，具有电化学窗口高的优势，有利于提高超级电容器的能量密度。但是离子液体中的离子具有比水系电解液中的离子更大的尺寸，因此对储存电荷的电极表面的孔隙有一定的要求。匹配离子液体中离子尺寸的小微孔(低于1nm)能实现最有效的电荷储存，但是小的介孔(2-10nm)对于离子的吸附以及传输都起到积极的作用，同样能够提高电荷的储存。锂离子电池中锂离子在电极材料中的传输对于活性材料的容量发挥同样扮演重要的角色。畅通的孔隙通道对于锂离子大倍率充放电条件下的传输，最终实现锂离子电池的高容量是必备的。而对钠离子电池，钠离子比锂离子需要更大的孔隙通道来进行传输扩散。综上，确有必要提供一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其采用硫模板法来大范围、有效地调控三维石墨烯宏观体的孔隙结构，满足各种储能器件中离子传输对通道的需要，在大倍率充放电的过程中保持高的储能水平。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其采用硫模板法来大范围、有效地调控三维石墨烯宏观体的孔隙结构，满足各种储能器件中离子传输对通道的需要，在大倍率充放电的过程中保持高的储能水平。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，至少包括以下步骤：第一步，在石墨烯类分散液中加入含硫物质和酸，酸与含硫物质充分反应生成硫在水介质中的分散液，充分搅拌得到混合分散液；第二步，将第一步得到的混合分散液加入水热反应釜中进行水热反应，硫负载与石墨烯片层上，水热驱动组装，得到石墨烯-硫复合的水凝胶；第三步，将第二步得到的水凝胶在去离子水中进行充分的浸泡，去除杂质，之后进行水分脱除，得到待处理产物；第四步，将第三步得到的待处理产物进行脱硫处理，得到三维多孔石墨烯宏观体。本专利技术通过在水热过程中将硫作为模板引入到石墨烯三维宏观体中，再通过简单的热处理将硫脱除之后，可以提高石墨烯三维宏观体的孔隙尺寸。硫作为一种模板，软硬兼备，既能实现对石墨烯片层的硬支撑，同时易出去。而通过精确控制硫的引入量，可以大范围精确地对宏观体的孔隙结构进行调控，从而能够应用在不同的储能器件中。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，第一步中，石墨烯类分散液、含硫物质和酸的质量比为1:(0.6-18):(0.25-1.5)。该前驱体配比可以将硫含量精确地控制在一定的范围之内。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，所述石墨烯类分散液的浓度为1-3mg/mL。该浓度范围内的氧化石墨烯分散液对于在水热过程中搭接形成三维石墨烯与硫的复合凝胶是最合适的。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，第一步中，所述的石墨烯类分散液为氧化石墨烯分散液、改性石墨烯分散液和多孔石墨烯分散液中的至少一种。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，所述的含硫物质为升华硫单质、硫代硫酸钠和硫化钠中的至少一种。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，所述酸为盐酸、硝酸、硫酸、亚硫酸、碳酸和醋酸中的至少一种。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，第二步中，水热反应的温度为100℃-250℃，水热反应持续的时间为3h-48h。水热温度100℃-250℃可以很好的驱动硫与氧化石墨烯结合，同时，在3h-48h的水热过程中，负载有硫的氧化石墨烯片层可以充分地搭接形成三维石墨烯与硫的复合凝胶。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，第三步中，水分脱除的方法为烘干，且烘干温度为60℃-90℃，烘干持续时间为6h-72h。烘干过程中，利用水的毛细蒸发，实现对材料的收缩。60℃-90℃可以实现块体较好的收缩，同时避免更高温度条件下快速收缩造成的块体粉碎；6h-72h的烘干时间可以实现对材料的充分干燥。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，第四步中，脱硫处理为热处理脱硫，热处理脱硫的方法为：在惰性气体保护氛围下，以3-20℃/min的升温速率升温至300℃-500℃，然后恒温3h-24h，将硫脱除，冷却至室温即可。硫的熔点和沸点较低，300℃-500℃的热处理温度可以实现对硫的彻底脱除。作为本专利技术采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法的一种改进，第四步得到的三维多孔石墨烯宏观体具有丰富的孔结构，比表面积为200-800m2/g，孔容为0.18-1.0cm3/g，块体密度为0.1-1.5g/cm3。相对于现有技术，本专利技术至少具有以下优点：第一，该方法条件温和、操作简单，制备工艺绿色无污染，其利用水的毛细蒸发作用可以实现三维石墨烯骨架的致密收缩，而将硫作为模板，可以在其脱除之后，对三维石墨烯宏观体的孔隙结构造成影响。第二，该方法可以通过控制硫的含量来实现三维石墨烯宏观体大范围内的精确的孔隙尺寸调控。第三，调控三维石墨烯宏观体的孔隙结构对于应用在储能器件中保证离子在电极材料中的扩散具有十分重要的作用。附图说明下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术及其有益技术效果进行详细说明。图1为本专利技术实施例1制备的三维多孔石墨烯宏观体材料的SEM图。图2为本专利技术实施例1制备的三维多孔石墨烯宏观体材料的氮气吸附脱附等温线(77K)。图3为本专利技术实施例1制备的三维多孔石墨烯宏观体材料的锂离子电池充放电曲线。具体实施方式以下以具体实施例来说明本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不限于此。实施例1本实施例提供了一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，至少包括以下步骤：第一步，取2mg/mL氧化石墨烯分散液78.5mL置于100mL烧杯中，加入0.75gNa2S2O3·5H2O,然后加入1M盐酸6.5mL，搅拌30min使其充分混合，得到混合分散液；第二步，将第一步得到的混合分散液加入100mL的水热反应釜中进行水热反应，水热反应的温度为150℃，水热反应的持续时间为6h，得到石墨烯-硫复合的水凝胶；第三步，将第二步得到的水凝胶在去离子水中进行充分的浸泡，去除杂质，之后在70℃下进行48h小时充分的烘干，进行水分脱除，得到待处理产物；第四步，将第三步得到的待处理产物进行脱硫处理，具体的，在氩气保护下，以10℃/min的升温速率升温至400℃，然后恒温6h，将硫脱除，冷却至室温，得到三维多孔石墨烯宏观体。该三维多孔石墨烯宏观体具有丰富的孔结构，比表面积为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：第一步，在石墨烯类分散液中加入含硫物质和酸，充分搅拌得到混合分散液；第二步，将第一步得到的混合分散液加入水热反应釜中进行水热反应，得到石墨烯‑硫复合的水凝胶；第三步，将第二步得到的水凝胶在去离子水中进行充分的浸泡，去除杂质，之后进行水分脱除，得到待处理产物；第四步，将第三步得到的待处理产物进行脱硫处理，得到三维多孔石墨烯宏观体。

【技术特征摘要】
1.一种采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：第一步，在石墨烯类分散液中加入含硫物质和酸，充分搅拌得到混合分散液；第二步，将第一步得到的混合分散液加入水热反应釜中进行水热反应，得到石墨烯-硫复合的水凝胶；第三步，将第二步得到的水凝胶在去离子水中进行充分的浸泡，去除杂质，之后进行水分脱除，得到待处理产物；第四步，将第三步得到的待处理产物进行脱硫处理，得到三维多孔石墨烯宏观体。2.根据权利要求1所述的采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其特征在于：第一步中，石墨烯类分散液、含硫物质和酸的质量比为1:(0.6-18):(0.25-1.5)。3.根据权利要求1所述的采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其特征在于：所述石墨烯类分散液的浓度为1-3mg/mL。4.根据权利要求1所述的采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其特征在于：第一步中，所述的石墨烯类分散液为氧化石墨烯分散液、改性石墨烯分散液和多孔石墨烯分散液中的至少一种。5.根据权利要求1所述的采用硫为模板调控三维石墨烯孔的方法，其特征在于：所述的含硫物质为升华硫单质、硫代硫...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶莹，韩俊伟，杨全红，刘东海，张辰，游从辉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12