一种异形多孔石墨烯及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及多孔碳材料技术领域，具体涉及一种异形多孔石墨烯及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了一种异形多孔石墨烯，由石墨烯纳米片形成的结构单元组成，孔形貌为线型分布的蠕虫状纳米孔。本发明专利技术提供的异形多孔石墨烯具有蠕虫状超小纳米孔结构，且具有良好的导电性和较大的比表面积，在超级电容器电极材料、导电填充材料、生物传感材料和污水处理等方面具有较高的应用价值。

A special-shaped porous graphene and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种异形多孔石墨烯及其制备方法和应用
本专利技术涉及多孔碳材料
，具体涉及一种异形多孔石墨烯及其制备方法和应用。
技术介绍
石墨烯具有单层蜂巢状二维平面的独特结构，展现出了非常优异的物理化学性质，比如具有非常突出的导电性能和导热性能、快速的电子迁移效率以及巨大的比表面积，石墨烯的理论比表面积可以达到2600m2/g。因此，石墨烯在复合纳米材料、场效应晶体管、光热传感器以及便携式能量转化储存器件等领域中发挥了巨大的作用。多孔石墨烯是指在石墨烯的二维平面内具有纳米级孔洞的碳材料，多孔石墨烯能够在储能、催化等领域取得比石墨烯更加优异的效果，这使得多孔石墨烯具有更加广阔的应用前景。目前，关于多孔石墨烯的研究多集中在纳米孔大小上，且纳米孔通常为圆形，研究异形纳米孔石墨烯对探索多孔石墨烯的性能，以期进一步开拓其应用，具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种异形多孔石墨烯及其制备方法和应用，本专利技术提供的异形多孔石墨烯具有蠕虫状超小纳米孔结构，且具有良好的导电性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种异形多孔石墨烯，由石墨烯纳米片形成的结构单元组成，孔形貌为线型分布的蠕虫状纳米孔。优选地，所述蠕虫状纳米孔的短轴距为1～10nm，长轴距为5～100nm。优选地，所述结构单元由1～10层石墨烯纳米片形成。优选地，所述异形多孔石墨烯的比表面积为10～100m2/g。本专利技术提供了上述技术方案所述异形多孔石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、羰基金属化合物和金属硫化物分散于溶剂中，将所得混合分散液进行溶剂热反应，得到前驱体；在保护气氛中将所述前驱体进行碳热反应，酸洗后得到异形多孔石墨烯。优选地，所述羰基金属化合物中的金属元素包括Ni、Co、Fe、Mn和Mo中的至少一种。优选地，所述金属硫化物中的金属元素包括Na、Fe和Cu中的至少一种。优选地，所述氧化石墨烯、羰基金属化合物和金属硫化物的质量比为1：(0.5～5)：(0.4～0.6)。优选地，所述溶剂热反应的温度为160～300℃，时间为2～6h；所述碳热反应的温度为500～1200℃，保温时间为2～6h。本专利技术提供了上述技术方案所述异形多孔石墨烯或上述技术方案所述制备方法制备得到的异形多孔石墨烯在超级电容器电极材料、导电填充材料、生物传感材料或污水处理中的应用。本专利技术提供了一种异形多孔石墨烯，由石墨烯纳米片形成的结构单元组成，孔形貌为线型分布的蠕虫状纳米孔。本专利技术提供的异形多孔石墨烯具有蠕虫状超小纳米孔结构，且具有良好的导电性和较大的比表面积，在超级电容器电极材料、导电填充材料、生物传感材料和污水处理等方面具有较高的应用价值。本专利技术提供了所述异形多孔石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、羰基金属化合物和金属硫化物分散于溶剂中，将所得混合分散液进行溶剂热反应，得到前驱体；在保护气氛中将所述前驱体进行碳热反应，酸洗后得到异形多孔石墨烯。本专利技术以金属硫化物为延伸生长催化剂，以羰基金属化合物为金属氧化物前驱体，在溶剂热反应过程中可以向石墨烯片层表面引入金属氧化物纳米颗粒，不仅可以有效阻止石墨烯片层之间的重新堆叠，并且在碳热反应过程中会发生滑移效应，同时金属氧化物与石墨烯发生碳热反应，因此会形成蠕虫状的纳米孔；在碳热反应完成后，通过酸洗将金属氧化物去除，即可得到具有蠕虫状纳米孔的异形多孔石墨烯。本专利技术提供的方法操作简单，对于获得其它异形孔石墨烯材料具有指导意义。附图说明图1为实施例1制备的前驱体的透射电子显微镜图；图2为实施例1制备的异形多孔石墨烯的透射电子显微镜图；图3为实施例2制备的前驱体的透射电子显微镜图；图4为实施例2制备的异形多孔石墨烯的透射电子显微镜图(标尺为50nm)；图5为实施例2制备的异形多孔石墨烯的透射电子显微镜图(标尺为100nm)；图6为实施例3制备的异形多孔石墨烯的透射电子显微镜图；图7为实施例1制备的异形多孔石墨烯作为电极活性材料的电化学性能测试结果图。具体实施方式本专利技术提供了一种异形多孔石墨烯，由石墨烯纳米片形成的结构单元组成，孔形貌为线型分布的蠕虫状纳米孔。在本专利技术中，所述蠕虫状纳米孔的短轴距优选为1～10nm，更优选为3～8nm，进一步优选为5～6nm；长轴距优选为5～100nm，更优选为30～80nm，进一步优选为40～60nm。在本专利技术中，所述短轴距具体是指由纳米孔中心至纳米孔侧边的距离的2倍，即宽度，所述长轴距具体是指由纳米孔中心至纳米孔一端的距离的2倍，即长度；其中，所述长轴距具体是大于所述短轴距。在本专利技术中，所述结构单元优选由1～10层石墨烯纳米片形成，更优选为3～8层，进一步优选为3～5层。在本专利技术中，所述石墨烯纳米片的尺寸优选为1～100μm，更优选为10～80μm，进一步优选为30～50μm；在本专利技术中，所述石墨烯纳米片的尺寸具体是指通过石墨烯纳米片中心的最长径的尺寸。本专利技术提供的异形多孔石墨烯具有蠕虫状超小纳米孔结构，且具有良好的导电性和较大的比表面积，在超级电容器电极材料、导电填充材料、生物传感材料和污水处理等方面具有较高的应用价值。本专利技术提供了上述技术方案所述异形多孔石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯、羰基金属化合物和金属硫化物分散于溶剂中，将所得混合分散液进行溶剂热反应，得到前驱体；在保护气氛中将所述前驱体进行碳热反应，酸洗后得到异形多孔石墨烯。本专利技术以羰基金属化合物为金属氧化物前驱体，以金属硫化物为延伸生长催化剂，在溶剂热反应过程中，羰基金属化合物在一定的温度和压力下，脱去羰基，以金属原子的形式存在，并在原子级别层面在氧化石墨烯表面生长，由于氧化石墨烯表面带官能团位置的表面能最小，因此会优先在其表面带官能团处成核生长，并在氧化石墨烯表面含氧官能团和溶液中氧气的作用下，氧化成金属氧化物，同时，氧化石墨烯转化为石墨烯。在金属硫化物作用下，金属氧化物纳米颗粒(粒径为1～50nm)线性生长并负载在石墨烯表面；在碳热反应过程中，金属氧化物由于与石墨烯表面直接通过金属-氧-碳键合，在高温条件下，金属氧化物在石墨烯表面具有滑移效应，同时，金属氧化物与石墨烯发生碳热反应，石墨烯上局部的碳原子会形成一氧化碳或二氧化碳，因此会形成蠕虫状的纳米孔，所述蠕虫状的纳米孔被金属氧化物占据，在碳热反应完成后，通过酸洗将金属氧化物去除，即可得到具有蠕虫状纳米孔的异形多孔石墨烯。本专利技术将氧化石墨烯、羰基金属化合物和金属硫化物分散于溶剂中，得到混合分散液。在本专利技术中，所述羰基金属化合物中的金属元素优选包括Ni、Co、Fe、Mn和Mo中的至少一种，更优选为Ni、Co、Fe、Mn或Mo；所述金属硫化物中的金属元素优选包括Na、Fe和Cu中的至少一种，更优选为Na、Fe或Cu。在本专利技术中，所述氧化石墨烯、羰基金属化合物和金属硫化物的质量比优选为1：(0.5～5)：(0.4～0.6)，更优选为1：(0.5～1)：0.5。在本专利技术中，所述溶剂优选为N,N-二甲基甲酰胺；本专利技术对所述溶剂的用量没有特殊的限定，能够将各组分充分分散，保证溶剂热反应顺利进行即可；在本专利技术的实施例中，所述氧化石墨烯与溶剂的用量比优选为1mg：(0.8～1.2)mL。本专利技术对于配制所述混合分散液时各物料的加料顺序以及分散方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异形多孔石墨烯，其特征在于，由石墨烯纳米片形成的结构单元组成，孔形貌为线型分布的蠕虫状纳米孔。

【技术特征摘要】
1.一种异形多孔石墨烯，其特征在于，由石墨烯纳米片形成的结构单元组成，孔形貌为线型分布的蠕虫状纳米孔。2.根据权利要求1所述的异形多孔石墨烯，其特征在于，所述蠕虫状纳米孔的短轴距为1～10nm，长轴距为5～100nm。3.根据权利要求1或2所述的异形多孔石墨烯，其特征在于，所述结构单元由1～10层石墨烯纳米片形成。4.根据权利要求1所述的异形多孔石墨烯，其特征在于，所述异形多孔石墨烯的比表面积为10～100m2/g。5.权利要求1～4任一项所述异形多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化石墨烯、羰基金属化合物和金属硫化物分散于溶剂中，将所得混合分散液进行溶剂热反应，得到前驱体；在保护气氛中将所述前驱体进行碳热反应，酸洗后得到异形多孔石墨烯。6.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎兴斌，苏利军，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62