多孔石墨烯及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种多孔石墨烯及其制备方法和应用，该制备方法包括：将石墨烯与金属盐充分混合；混合后的物料于惰性气氛下热处理；及对热处理后的产物进行酸处理，得到多孔石墨烯。该方法工艺简单、成本低，且可根据实际需要对孔径、孔形状进行精确调控，所得多孔石墨烯可在多种领域，例如锂离子电池导电剂、超级电容器电极材料、燃料电池催化剂、各种气体传感器等中应用。

【技术实现步骤摘要】
多孔石墨烯及其制备方法和应用
本专利技术涉及石墨烯领域，具体涉及一种多孔石墨烯及其制备方法和应用。
技术介绍
石墨烯是由sp2杂化的碳原子组成的二维纳米炭材料，经过一系列的包裹、卷曲和堆叠等操作可以形成零维的富勒烯、一维的碳纳米管以及三维的石墨，因此石墨烯被称为“炭材料之母”。完美的石墨烯中只含有sp2碳，是一个平面结构，但是通常由化学法制备的石墨烯由于经过强酸强氧化环境的处理，因此会含有部分sp3碳以及缺陷。缺陷的存在虽然破坏了石墨烯的本征结构，但是同时也赋予了含有缺陷的石墨烯一些完美石墨烯不具有的性质，从而可以拓展其用途。作为缺陷的一个重要种类，含有孔的石墨烯除具有石墨烯本征的性质之外，还有很多独特的性质，进而具有更广的应用范围，例如：锂离子电池导电剂、超级电容器电极材料、燃料电池催化剂、各种气体传感器等。目前，多孔石墨烯的制备方法主要包括光刻蚀法、催化刻蚀法、化学刻蚀法、碳热还原法、水热法等。但是目前的制备方法中，对多孔石墨烯孔径以及孔形状依然不能精确控制。而孔径和孔形状的调控对于多孔石墨烯的应用具有重要的意义。需注意的是，前述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本专利技术的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种多孔石墨烯及其制备方法和应用，以实现孔径和孔形状可调控的多孔石墨烯的制备。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种多孔石墨烯的制备方法，包括：将石墨烯与金属盐充分混合；混合后的物料于惰性气氛下热处理；及对热处理后的产物进行酸处理，得到多孔石墨烯。根据本专利技术的一个实施方式，金属盐选自金属含氧酸盐、金属无氧酸盐中的一种或多种，金属含氧酸盐选自硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、硫酸铜、硝酸铜、磷酸铜、硫酸钴、硝酸钴、磷酸钴、硫酸镍、硝酸镍、磷酸镍、硫酸锰、硝酸锰和磷酸锰中的一种或多种；金属无氧酸盐选自氯化铁、氯化铜、氯化钴、氯化镍、氯化锰、溴化铁、溴化铜、溴化钴、溴化镍和溴化锰中的一种或多种。根据本专利技术的一个实施方式，石墨烯与金属盐的质量比为1:0.02～1:50。根据本专利技术的一个实施方式，热处理的温度为300℃～1200℃，热处理的时间为0.1h～5h。根据本专利技术的一个实施方式，酸处理包括将热处理后的产物置于酸溶液中处理0.5h～10h，其中酸溶液中的酸选自盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的一种或多种，酸溶液的浓度为0.01M～10M。根据本专利技术的一个实施方式，石墨烯为功能化石墨烯，功能化石墨烯选自氧化石墨烯、羧基化石墨烯、羟基化石墨烯、酰氯化石墨烯中的一种或多种。根据本专利技术的一个实施方式，将石墨烯与金属盐充分混合包括：将石墨烯和金属盐置于溶剂中分散，得到分散液；分散液经超声处理0.1h～5h后，搅拌1h～12h；及搅拌后的溶液经干燥后，得到充分混合的石墨烯与金属盐。本专利技术还提供一种多孔石墨烯，采用上述方法制备得到。根据本专利技术的一个实施方式，多孔石墨烯的孔径范围10nm～800nm，孔形状选自圆形、椭圆形和长条形中的一种或多种。本专利技术还提供前述多孔石墨烯在锂离子电池、超级电容器、燃料电池或传感器领域中的应用。由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的多孔石墨烯的制备方法，通过引入金属盐于石墨烯中，经过高温刻蚀和酸处理的过程，实现了多孔石墨烯的制备。该方法工艺简单、成本低，且可根据实际需要对孔径及孔形状进行精确调控，所得多孔石墨烯可在多种领域中应用，例如锂离子电池导电剂、超级电容器电极材料、燃料电池催化剂、各种气体传感器等，对于扩展多孔石墨烯的工业化应用具有重要意义。附图说明以下附图用于提供对本专利技术的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。图1是实施例1的多孔石墨烯的扫描电镜图；图2是实施例2的多孔石墨烯的扫描电镜图；图3是实施例3的多孔石墨烯的扫描电镜图。具体实施方式以下内容提供了不同的实施例或范例，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。当然，这些仅仅是范例，而非意图限制本专利技术。在本专利技术中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应当被视为在本文中具体公开。本专利技术提供一种多孔石墨烯的制备方法，包括：将石墨烯与金属盐充分混合；混合后的物料于惰性气氛下热处理；及对热处理后的产物进行酸处理，得到多孔石墨烯。根据本专利技术，多孔石墨烯除具有石墨烯的本征性质之外，还有很多独特的性质。然而，现有多孔石墨烯的制备方法，例如光刻蚀法、催化刻蚀法、化学刻蚀法、碳热还原法、水热法等，对多孔石墨烯孔径以及孔形状并不能很好的调控，从而不能满足不同的实际应用需求。本专利技术的专利技术人发现，通过将石墨烯与金属盐混合，并利用高温刻蚀后进行酸处理，可于石墨烯层上得到规则形状的孔洞，且根据金属盐及其含量的不同，还可以实现不同孔形状和孔径的调控，该方法操作简单、成本低，对于实现多孔石墨烯的工业化规模生产具有重要意义。下面具体阐述本专利技术的多孔石墨烯的制备工艺过程。首先，将石墨烯与金属盐充分混合。其中，本专利技术所选用的石墨烯可以是物理法或化学法常规制备的石墨烯，也可以是功能化石墨烯，例如氧化石墨烯、羧基化石墨烯、羟基化石墨烯、酰氯化石墨烯等，优选为氧化石墨烯。氧化石墨烯表面含有丰富的含氧官能团，这些官能团可以与金属离子相互作用，在高温下发生碳热反应，形成金属-氧-碳共价键，形成的金属/金属化合物嵌在石墨烯层内，酸处理去除金属/金属化合物后即可得到特定孔径、孔形状和孔含量的多孔石墨烯。金属盐可以为金属含氧酸盐、金属无氧酸盐中的一种或多种，金属含氧酸盐包括但不限于硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、硫酸铜、硝酸铜、磷酸铜、硫酸钴、硝酸钴、磷酸钴、硫酸镍、硝酸镍、磷酸镍、硫酸锰、硝酸锰和磷酸锰中的一种或多种；金属无氧酸盐包括但不限于氯化铁、氯化铜、氯化钴、氯化镍、氯化锰、溴化铁、溴化铜、溴化钴、溴化镍和溴化锰中的一种或多种。本专利技术的专利技术人发现，当选用不同的金属盐作为原料时，所得到的多孔石墨烯中孔洞形状可随之发生改变，例如，当选用硫酸钴时，所得孔形状为圆形；选用磷酸铜时，所得孔形状为椭圆形；选用磷酸钴时，所得孔形状则为长条形。通过选用不同的金属盐，可以实现多孔石墨烯的孔形状的精准调控。在一些实施例中，石墨烯与金属盐的质量比为1:0.02～1:50，优选为1:0.5～1:20，例如1:0.5、1:1、1:5、1:10、1:13、1:16等。金属盐含量过高有可能会形成沉淀，而含量过低则没有足够的金属盐与石墨烯反应，都会影响孔的形成。前述的石墨烯与金属盐充分混合包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：/n将石墨烯与金属盐充分混合；/n所述混合后的物料于惰性气氛下热处理；及/n对所述热处理后的产物进行酸处理，得到所述多孔石墨烯。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：
将石墨烯与金属盐充分混合；
所述混合后的物料于惰性气氛下热处理；及
对所述热处理后的产物进行酸处理，得到所述多孔石墨烯。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐选自金属含氧酸盐、金属无氧酸盐中的一种或多种，所述金属含氧酸盐选自硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、硫酸铜、硝酸铜、磷酸铜、硫酸钴、硝酸钴、磷酸钴、硫酸镍、硝酸镍、磷酸镍、硫酸锰、硝酸锰和磷酸锰中的一种或多种；所述金属无氧酸盐选自氯化铁、氯化铜、氯化钴、氯化镍、氯化锰、溴化铁、溴化铜、溴化钴、溴化镍和溴化锰中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯与所述金属盐的质量比为1:0.02～1:50。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为300℃～1200℃，所述热处理的时间为0.1h～5h。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酸处理包括将所述热处理后的产物置于酸溶液中处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小廷，沈伟，曹建苹，陈韵吉，
申请(专利权)人：北京石墨烯研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11