多孔石墨烯材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及材料技术领域，具体涉及多孔石墨烯材料及其制备方法。本发明专利技术所要解决的技术问题是提供一种多孔石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：a、将氧化石墨粉末通过超声剥离分散在水中，得到氧化石墨烯水溶液；将含金属离子的化合物溶解在水中，得到含金属离子的化合物水溶液；b、将步骤a的两种溶液混匀，除去液体，得固体；c、在惰性气体下，将固体升温至600～1000℃保温1～4h；d、酸处理、洗至中性、干燥即得多孔石墨烯材料。本发明专利技术方法可以通过调整氧化石墨粉末和含金属离子的化合物的加入量和热处理温度，得到孔隙率和孔径可控的多孔石墨烯材料，从而满足不同的使用要求。

Porous graphene material and preparation method thereof

The invention relates to the field of material technology, in particular to porous graphene materials and a preparation method thereof. The technical problem to be solved by the invention is to provide a preparation method of porous graphene material, including the following steps: a. Dispersing graphite oxide powder in water by ultrasonic peeling to obtain graphene oxide aqueous solution; dissolving compounds containing metal ions in water to obtain compound aqueous solution containing metal ions; (c) In inert gas, the solid is heated to 600-1000 C for 1-4 h; and porous graphene material is obtained by acid treatment, washing to neutral and drying. The method of the invention can obtain porous graphene materials with controllable porosity and pore size by adjusting the addition amount of graphite oxide powder and compounds containing metal ions and the heat treatment temperature, thus meeting different application requirements.

【技术实现步骤摘要】
多孔石墨烯材料及其制备方法
本专利技术涉及材料
，具体涉及一种多孔石墨烯材料及其制备方法。
技术介绍
作为碳素家族备受瞩目的石墨烯，因其独特的二维结构和优异的电学、力学、光学、热学、磁学性质，在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域有广阔的应用前景。尤其在储能材料领域，其巨大的比表面积和良好的导电性使其可作为新一代储能材料锂离子电池、超级电容器、燃料电池等的电极材料。但是本征石墨烯的能带隙为零，表现为半金属性，导致石墨烯制成的器件不具有开关行为。同时，由于石墨烯片层之间具有较强的范德华力和π-π相互作用，易团聚堆叠，致使实际使用时石墨烯的比表面积变小，紧密堆叠的现象也阻碍了物质的轴向传递，这些均极大地限制了其在储能材料及电子、光电子器件方面的应用。多孔石墨烯，是指在石墨烯基面上具有孔的碳材料，也有研究者将三维组装成孔的石墨烯称为多孔石墨烯，但由于其本身不具有本征孔结构，不在本专利技术专利讨论范围之内。大量的理论计算和实验结果表明，通过在石墨烯基面上引入孔洞，可以打开能带隙，从而有效调控其电学、力学、光学和热学性能，同时也打通了石墨烯内物质传输的通道，让物质能在石墨烯内方便快捷地进行二维基面和轴向上的传输和传导。目前多孔石墨烯的制备方法主要有光刻法、化学气相沉积法、酸碱刻蚀法、热氧化还原法等。其中光刻法、化学气相沉积法虽然可以得到高质量的多孔石墨烯，但是这些方法制备成本较高，产率低下；酸碱刻蚀法需要使用强酸强碱，虽制备工艺比较简单，但是却有一定的操作危险，且对设备的抗腐蚀性提出了更多的要求。而热氧化还原法需要使用到高锰酸钾等强氧化性的药品。这些缺点在很大程度上限制了多孔石墨烯材料的制备和应用。因此，探索设计一种安全可靠、可大规模制备且简单易行的方法来制备多孔石墨烯材料显得尤为重要。
技术实现思路
针对现有制备多孔石墨烯的方法存在成本高、产率低、且使用强碱强酸等危险药品等缺点，本专利技术提供了一种新的制备多孔石墨烯材料的方法。该方法具有操作简单、安全的优点；且该多孔石墨烯材料具有孔径、孔隙率可控等优点。本专利技术所要解决的技术问题是提供一种多孔石墨烯材料的制备方法。该方法包括以下步骤：a、将氧化石墨粉末通过超声剥离分散在水中，得到氧化石墨烯水溶液；将含金属离子的化合物溶解在水中，得到含金属离子的化合物水溶液；b、将步骤a的两种溶液混匀，除去液体，得固体；c、在惰性气体下，将固体升温至600～1000℃保温1～4h；d、酸处理、洗至中性、干燥即得多孔石墨烯材料。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤a中，所述超声时间为30～120min，超声功率为150～600W。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤a中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为1～8mg/mL。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤a中，所述含金属离子的化合物水溶液的浓度为1～8mg/mL。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤a中，所述含金属离子的化合物是水溶性的，且该金属离子转化为相应氧化物时，该氧化物能够与稀酸反应。进一步的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤a中，所述含金属离子的化合物为含三价铁离子的水溶性化合物、含锰离子的水溶性化合物、含锌离子的水溶性化合物或含铜离子的水溶性化合物中的至少一种。更进一步的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤a中，所述含金属离子的化合物的阴离子为氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子或乙酸根离子中的任意一种。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤b中，所述混匀采用超声方式，超声时间为30～120min，超声功率为150～600W。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤b中，所述除去液体采用抽滤的方式。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤c中，所述升温速率为1～10℃/min。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤c中，所述温度为600～800℃。优选的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤d中，所述酸处理为采用无机酸浸泡24～48h。进一步的，上述多孔石墨烯材料的制备方法步骤d中，所述无机酸为稀盐酸或稀硝酸。本专利技术还提供了上述多孔石墨烯材料的制备方法制备得到的多孔石墨烯材料。本专利技术制备多孔石墨烯材料的方法利用在高能物理惰性气氛下一些金属氧化物会与石墨烯基面碳原子发生氧化还原反应，实现了石墨烯基面上原位刻蚀造孔，操作简单易行，且原料来源丰富、价格低廉。本专利技术方法可以通过调节含金属离子的化合物与氧化石墨的重量比例来控制产品多孔石墨烯材料的孔隙率，同时可以通过调节热处理温度来控制多孔石墨烯材料的孔径，从而实现了对新型多孔石墨烯材料孔径、孔隙率的调控，且该多孔石墨烯材料的其他性能指标与石墨烯相当。附图说明图1实施例1热处理前、热处理后、酸浸泡后的材料的XRD图。从图1中可以看到，含铁离子的氧化石墨烯材料经热处理后，其样品显示出Fe2O3的特征峰，且氧化石墨烯被还原成石墨烯。经过盐酸浸泡后，展现出了典型的石墨烯特征峰，Fe2O3特征峰消失，说明含铁离子的氧化石墨烯材料会在热处理过程中获取氧化石墨烯还原时释放的氧，得到对应的金属氧化物，且该金属氧化物能与盐酸反应。图2实施例1经盐酸浸泡前后的材料的SEM图(a-b)。从图2(a)中可以看到，石墨烯表面镶嵌着形状规整、结晶良好的纳米颗粒，且每个纳米颗粒的边缘都由石墨烯上的孔洞所紧密包裹，这说明了纳米颗粒对于石墨烯上孔洞的形成有着至关重要的作用。而图1的XRD已经说明了这些纳米颗粒是铁氧化合物。经稀盐酸浸泡过后，从图2(b)中可以看到，这些铁氧化合物已经除尽，从而将石墨烯上的孔洞完全裸露出来，得到新型多孔石墨烯材料。图3实施例1-4与对比例1-2产品的SEM图。其中，(a)为对比例1制备的石墨烯材料，(b)为对比例2制备的石墨烯材料，(c-f)依次为实施例1-4制备的多孔石墨烯材料。从图3中可以看到，加入三氯化铁和热处理温度达到600℃时，制备的石墨烯材料富含孔洞，且孔数目和孔径大小可以分别通过三氯化铁与氧化石墨的重量比例和热处理温度的高低进行调控。说明本方法是一种有效制备多孔石墨烯材料的方法。具体实施方式一种新型多孔石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：1)在室温环境下，将氧化石墨粉末超声剥离分散在去离子水中，得到均匀的氧化石墨烯水溶液；2)在室温环境下，将含金属离子的化合物溶解在去离子水中，搅拌使其成为透明均一的溶液，得到含金属离子的化合物水溶液；3)在室温环境下，将步骤2)制备的溶液缓慢加入到步骤1)所制备的溶液中，超声分散得到混合液；此处可根据对产品石墨烯孔隙率、孔径的需求合理控制含金属离子的化合物与氧化石墨的添加比例关系；4)将步骤3)得到的混合液经过真空抽滤，得到含金属离子的氧化石墨烯材料，室温干燥一段时间；5)对步骤4)得到的含金属离子的氧化石墨烯材料在惰性气体下(如氩气)进行热处理，热处理温度为600～1000℃，时间为1～4h；热反应结束后，得到含金属氧化物的石墨烯材料；6)用稀酸(如稀盐酸、稀硝酸等)浸泡步骤5)得到的含金属氧化物的石墨烯材料24～48h，再用去离子水通过透析、洗涤或离心等方式将其洗至中性，最后于60～80℃干燥，得到本专利技术的多孔石墨烯材料。上述多孔石墨烯材料的制备方法中，步骤1)所述氧化石墨溶液后的浓度为1mg/ml～8mg/ml。上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：a、将氧化石墨粉末通过超声剥离分散在水中，得到氧化石墨烯水溶液；将含金属离子的化合物溶解在水中，得到含金属离子的化合物水溶液；b、将步骤a的两种溶液混匀，除去液体，得固体；c、在惰性气体下，将固体升温至600～1000℃保温1～4h；d、酸处理、洗至中性、干燥即得多孔石墨烯材料。

【技术特征摘要】
1.多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：a、将氧化石墨粉末通过超声剥离分散在水中，得到氧化石墨烯水溶液；将含金属离子的化合物溶解在水中，得到含金属离子的化合物水溶液；b、将步骤a的两种溶液混匀，除去液体，得固体；c、在惰性气体下，将固体升温至600～1000℃保温1～4h；d、酸处理、洗至中性、干燥即得多孔石墨烯材料。2.根据权利要求1所述的多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述超声时间为30～120min，超声功率为150～600W。3.根据权利要求1所述的多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为1～8mg/mL；所述含金属离子的化合物水溶液的浓度为1～8mg/mL。4.根据权利要求1所述的多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述含金属离子的化合物是水溶性的，且该金属离子转化为相应氧化物时，该氧化物能够与稀酸反应。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张楚虹，文豪，刘新刚，付举，康文彬，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51