一种海胆状石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种海胆状石墨烯及其制备方法，涉及石墨烯材料制备领域。本发明专利技术利用镍盐与还原剂在碱性条件下发生反应，自组装形成海胆状三维镍基底；通过化学气相沉积技术，在海胆状三维镍基底上沉积石墨烯；加入酸去除镍基底，即得海胆状三维石墨烯。本发明专利技术所述海胆状三维石墨烯，具有良好的分散型，有效防止了堆叠、多孔、构型不稳定等问题。本发明专利技术所述制备工艺简单，条件温和，原料来源广泛，适宜于批量生产，具有广阔的应用前景。

A sea urchin-like graphene and its preparation method

The invention discloses a sea urchin graphene and a preparation method thereof, which relates to the field of preparation of graphene materials. The invention utilizes the reaction of nickel salt and reducing agent under alkaline condition to form a sea urchin-like three-dimensional nickel base by self-assembly; deposits graphene on the sea urchin-like three-dimensional nickel base by chemical vapor deposition technology; removes nickel base by adding acid, and obtains sea urchin-like three-dimensional graphene. The sea urchin-like three-dimensional graphene of the invention has good dispersion type and effectively prevents stacking, porous, unstable configuration and other problems. The preparation process of the invention is simple, the conditions are mild, and the raw materials are from a wide range of sources, which is suitable for mass production and has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种海胆状石墨烯及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯材料
，具体涉及一种海胆状石墨烯及其制备方法。
技术介绍
石墨烯材料是一种具有独特的二维蜂窝状结构的单原子层材料，具有优良的电学、热学和力学特性。基于其独特性能，石墨烯材料被科学界誉为“21世纪新材料之王”，正被用于包括能源、环境和生物等各大领域。但在应用过程中，发现石墨烯材料存在一些问题，比如二维结构的石墨烯，因其自身超薄的厚度而极易发生卷曲，导致其相应的性能随之大大降低，使其在某些实际应用中大受限制。又如因其较强的π-π作用和范德华力，石墨烯二维结构易发生严重的堆叠和团聚，严重影响了石墨烯固有的性质。科学家发现，将二维结构石墨烯组装成三维石墨烯结构，比如泡沫、水凝胶。气凝胶和球形结构等，可有效解决这些问题。鉴于此，人们开始构建石墨烯三维结构，以解决现有技术问题中存在的上述问题。三维结构石墨烯是二维石墨烯在三维空间中的一种存在方式，具体可以为石墨烯网络、石墨烯纤维、石墨烯凝胶、石墨烯海绵等结构。三维石墨烯不仅保留了二维石墨烯原有的各种理化性质，且特殊的微观结构赋予了其超大的比表面积和更高的导电性。目前制备三维石墨烯的方法主要包括自组装法和模板辅助法。自组装法是指通过添加交联剂使氧化石墨烯凝胶化，搭建成为三维架构并还原即得到三维石墨烯。如中国专利CN201810175676所公开的三维石墨烯的制备方法，该方法以氧化石墨烯为起始物，加入乳化剂、交联剂和还原剂，在油相中形成球形石墨烯水凝胶，再经水分蒸发、高温煅烧，得到三维自组装石墨烯。该方法在制备过程中，需引入油相、乳化剂、交联剂和还原剂等其他组分，这些组分不易去除干净，同时存在多孔、层间疏松、不易成形等诸多缺陷，这限制了其性能及其应用。而模板辅助法是以预先设计的三维结构为模板，通过化学气相沉积法在三维模板上直接生长石墨烯，这种方法所制备的石墨烯缺陷少，且具有可控的形貌及性能。现有通过模板辅助化学气相沉积法制备的三维石墨烯多以多孔金属泡沫为基底制备的石墨烯海绵为主，结构比较单一。而通过化学气相沉积法和镍基底而制得海胆状石墨烯暂未有相关公开。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种海胆状石墨烯及其制备方法，以解决上述现有技术存在的二维石墨烯极易卷曲、三维石墨烯结构单一的技术问题。为解决上述问题，本专利技术提供如下技术方案：一方面，本专利技术提供一种海胆状石墨烯，其具有三维空心海胆状结构。进一步地，所述海胆状石墨烯包括球体和针状晶须，针状晶须分布于球体表面，所述球体直径为500～700nm，所述晶须长度约为300nm。另一方面，本专利技术还提供了一种海胆状石墨烯的制备方法，具体步骤如下：1)在溶剂中，镍盐在碱和还原剂作用下反应制得海胆状镍纳米晶体；2)以镍纳米晶体为模板，通过化学气相沉积法在镍纳米晶体表面附着生长石墨烯，得到镍基底海胆状石墨烯；3)通过试剂腐蚀去除镍基底，得到海胆状三维石墨烯。进一步地，所述溶剂可以是乙醇、水、乙二醇、甲醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇、煤油、溶剂油中的一种或其组合，进一步地，所述溶解溶剂可以是乙醇、水、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙二醇，优选地，本专利技术所述溶解溶剂为乙二醇。进一步地，所述镍盐可以是NiSO4·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2O、NiCl2·6H2O、NiBr2、NiI2、NiF2中的一种或其组合，优选地，本专利技术所述镍盐为NiSO4·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、NiCl2·6H2O。进一步地，所述碱可以是氨水、NaOH、KOH、Na2CO3、Na3PO4、Na3BO4、K2CO3、甲醇钠、乙醇钠、叔丁醇钾中的一种或其组合，进一步地，所述碱可以是氨水、NaOH、KOH、Na2CO3、Na3PO4中的一种或其组合，优选地，本专利技术所述碱为NaOH。进一步地，所述碱和镍盐的摩尔比为1～20:1，进一步地，所述碱与镍盐摩尔比为2～10:1，优选地，本专利技术所述碱与镍盐摩尔比为2:1，4:1，10:1。进一步地，所述还原剂为水合肼、硼氢化钠、草酸、甲酸、次亚磷酸钠、L-抗坏血酸、柠檬酸、次亚磷酸钾、次亚磷酸钙、次磷酸钠、次磷酸钠、DTT、甲醛中的一种或其组合，优选地，本专利技术所述还原剂为水合肼、硼氢化钠、草酸中的一种。进一步地，所述还原剂与所述镍盐的摩尔比为1～1000:1，进一步地，所述还原剂与所述镍盐的摩尔比为4～1000:1，优选地，本专利技术所述还原剂与所述镍盐的摩尔比为4：1，40:1，1000:1。进一步地，步骤1)中所述反应的温度为10～100℃，进一步地，所述温度为50～100℃，优选地，本专利技术所述温度为50℃，70℃，100℃；反应时间为1～5小时，优选地，所述时间为1、2、4小时。进一步地，所述海胆状镍纳米晶体制备过程如下：将镍盐溶于溶剂中得到镍盐溶液，然后将碱和还原剂依次加入到镍盐溶液中，搅拌使其完全溶解得到绿色溶液，然后将其转移至烧瓶中，加热水浴搅拌，溶液颜色逐渐变为黑色，反应结束后将液体抽滤，所得絮状物用去离子水和无水乙醇各洗涤三次以去除杂质，干燥，即得到海胆状镍纳米晶体。进一步地，步骤1)中所述反应结束后，所得溶液抽滤，得到絮状物，经洗涤、干燥制得海胆状镍纳米晶体。所述干燥温度可以是10～100℃，进一步地，所述干燥温度为40～100℃，优选地，本专利技术所述干燥温度为40℃，60℃，100℃。进一步地，步骤2)中，所述化学气相沉积法的过程如下：将镍纳米晶体放入CVD管式炉中，通入由氢气和氩气组成的混合气氛，加热升温，升温完成后调节氢气流速，并通入碳源气体，保温，关闭氢气和碳源气体，在氩气氛围中降至室温，完成反应。进一步地，步骤2)中，所述氢气和氩气流速比例为1～3:20～200。进一步地，步骤2)中，所述加热升温过程如下：以5℃/min的速率升温至800～1000℃。进一步地，所述升温完成后调节氢气流速与氩气流速比例为1～3:5～100。进一步地，所述碳源气体流速与氩气流速比例为1～3:10～200。进一步地，所述保温时间为10～30min，优选为10、15、20min。进一步地，步骤3)中所述试剂可以是硝酸、盐酸、硫酸，其浓度为5％～30％，进一步地，所述试剂是硝酸、盐酸，其浓度为5％～20％，优选地，所述试剂是硝酸，其浓度为20％。进一步地，步骤3)中所述试剂腐蚀去除镍基底后，离心，固体物用去离子水洗涤，经干燥即得海胆状三维石墨烯。进一步地，所述干燥温度为50℃～200℃，进一步地，所述干燥温度为50℃～100℃，优选地，所述干燥温度为50℃，60℃，80℃。进一步地，所述制备方法的具体步骤如下：1)将镍盐溶于溶剂中得到镍盐溶液，然后将碱和还原剂依次加入到镍盐溶液中，搅拌使其完全溶解得到绿色溶液，然后将其转移至烧瓶中，加热水浴搅拌，溶液颜色逐渐变为黑色，反应结束后将液体抽滤，所得絮状物用去离子水和无水乙醇各洗涤三次以去除杂质，干燥，即得到海胆状镍纳米晶体；2)将步骤1)所得海胆状镍纳米晶体放入CVD管式炉中，在氢气(流速为10～30sccm)和氩气(流速为600～1000sccm)混合气氛下，管式炉以5℃/min的速率升温至800～1000℃后，然后调节氢气流速为80～120sccm，并以10～50sc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海胆状石墨烯，其特征在于，具有三维空心海胆状结构。

【技术特征摘要】
1.一种海胆状石墨烯，其特征在于，具有三维空心海胆状结构。2.一种海胆状石墨烯的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1)在溶剂中，镍盐在碱和还原剂作用下反应制得海胆状镍纳米晶体；2)以镍纳米晶体为模板，通过化学气相沉积法在镍纳米晶体表面附着生长石墨烯，得到镍基底海胆状石墨烯；3)通过试剂腐蚀去除镍基底，得到海胆状三维石墨烯。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为乙醇、水、乙二醇、甲醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇、煤油、溶剂油中的一种或其组合；所述镍盐为NiSO4·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2O、NiCl2·6H2O、NiBr2、NiI2、NiF2中的一种或其组合；所述碱为氨水、NaOH、KOH、Na2CO3、Na3PO4、Na3BO4、K2CO3、甲醇钠、乙醇钠、叔丁醇钾中的一种或其组合。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碱和镍盐的摩尔比为1～20:1。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂为水合肼、硼氢化钠、草酸、甲酸、次亚磷酸钠、L-抗坏血酸、柠檬酸、次亚磷酸钾、次亚磷酸钙、次磷酸钠、次磷酸钠、DTT、甲醛中的一种或其组合；所述还原剂与...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜涛，李思幸，贺盼盼，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：湖南医家智烯新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43