一种三维分级多孔石墨烯及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维分级多孔石墨烯及其制备方法和应用，三维分级多孔石墨烯的制备方法包括如下步骤：(1)以金属为阳极，在水或水溶液中进行电解；电解结束后进行固液分离，得到金属氧化物纳米颗粒；所述金属的标准氧化还原电势<0V；(2)在所述金属氧化物纳米颗粒的表面修饰有机配体，得到组装体；(3)对所述组装体依次进行碳化、去除金属氧化物纳米颗粒、石墨化，得到三维分级多孔石墨烯。本发明专利技术的制备方法通用性好，制备出的三维分级多孔石墨烯材料石墨化程度高、导电性优异、孔道结构丰富多样且互相贯通，在载药、废水处理、能源的存储与转化、催化等领域具有广阔的应用前景。催化等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种三维分级多孔石墨烯及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及无机材料
，尤其涉及一种三维分级多孔石墨烯及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]多孔石墨烯骨架由于具有较高的石墨化程度和较大的比表面积，使其具有优异的导电性和传质能力，利于电荷传输与物质扩散，是一种非常理想的电极材料，在锂离子电池和燃料电池等领域具有非常广阔的应用前景。此外，多孔石墨烯材料还具有耐高温、耐酸碱、强度高、传热性高等优点，在储氢材料、吸波材料、催化剂载体等方面具有非常光明的应用潜力。
[0003]目前多孔石墨烯一般通过先制备多孔碳然后再进一步高温石墨化得到。当前主要的制备方法有：(1)过渡金属催化石墨化法。这种方法在制备得到多孔碳以后，将过渡金属与多孔碳材料进行混合，在较低的温度下煅烧得到高度石墨化的碳材料。但由于过渡金属与多孔碳不可能完全均匀的混合，因此制备得到的多孔石墨烯材料的石墨化程度非常不均匀，不利于其实际应用。(2)模板多孔碳高温石墨化法。即先使用硬模板法(多孔硅、纳米颗粒)或软模板法(嵌段共聚物诱导挥发自组装)制备得到有序多孔碳材料，然后将多孔碳材料在高温下进行煅烧，以得到高石墨化程度的材料。使用模板法制备多孔石墨烯时，不同的模板对制备过程具有较大的影响。使用多孔硅硬模板和聚合物软模板需要在2500℃以上进行煅烧，极高的温度导致多孔碳骨架不稳定，非常容易产生大范围的塌陷，造成比表面积下降。而使用常规的纳米颗粒硬模板可以得到高度有序和稳定的碳骨架，因此可以在稍低温度下进行石墨化，得到形貌有序、比表面积大、导电性好的多孔石墨烯。但是，常规的胶体纳米颗粒需要在惰性氛围下的有机溶剂中热分解金属有机盐来制备，合成及后处理过程非常复杂，大规模制备受到限制。此外，高沸点溶剂、金属盐前驱体等原料价格昂贵，制备出的纳米颗粒仅作为牺牲模板而去除，成本太高。所以，使用常规溶剂热法合成的纳米颗粒制备多孔石墨烯材料能耗大、成本高、过程较复杂，实际应用受到了极大的限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种三维分级多孔石墨烯的制备方法，通用性好，制备出的三维分级多孔石墨烯材料石墨化程度高、导电性优异、孔道结构丰富多样且互相贯通。
[0005]同时，本专利技术还提供所述制备方法得到三维分级多孔石墨烯及其应用。
[0006]具体地，本专利技术采取的技术方案如下：
[0007]本专利技术第一方面是提供一种三维分级多孔石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)以金属为阳极，在水或水溶液中进行电解；电解结束后进行固液分离，得到金属氧化物纳米颗粒；所述金属的标准氧化还原电势<0V；
[0009](2)在所述金属氧化物纳米颗粒的表面修饰有机配体，得到组装体；
[0010](3)对所述组装体依次进行碳化、去除金属氧化物纳米颗粒、石墨化，得到三维分级多孔石墨烯。
[0011]根据本专利技术第一方面的三维分级多孔石墨烯的制备方法，至少具有如下有益效果：
[0012]本专利技术以金属单质为阳极，通过阳极氧化法可以制备出大量多分散的金属氧化物纳米颗粒作为硬模板，再进行有机配体修饰、碳化、去除金属氧化物纳米颗粒与石墨化处理，能够高效通用地制备出大量的多孔石墨烯，所得多孔石墨烯具有三维分级结构，其丰富且互相贯通的分级孔道结构与三维连贯的碳框架结构非常有利于化学反应中的传质与传荷过程。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，所述金属的标准氧化还原电势为
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2.5～
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0.01V，优选
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0.5～
‑
0.02V。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述金属包括铁、钴、镍、锡、钼、铝、镁、钨、锰中的任意一种或多种，优选铁。此类金属的氧化还原电势较氢更低，能在电解过程中更容易形成金属离子进入水或水溶液中，最终形成金属氧化物纳米颗粒。而且，通过选择价格低廉、容易获取的铁作为阳极，可以减少成本。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，所述水溶液的初始pH为6～8，优选7左右。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，所述水溶液为水溶性金属盐的水溶液，所述水溶性金属盐可根据实际进行选择，只要保证其不参与阳极金属的氧化即可，例如所述水溶性金属盐包括氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠、硝酸钾、硝酸钠中的任意一种或多种的组合，优选氯化钾。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，所述水溶性金属盐的浓度可根据需要进行调整，例如可将所述水溶性金属盐的浓度设为0～2M，优选0.1～1M。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，所述电解过程中，以标准氧化还原电势≥0V的稳定金属单质作为阴极，如金、银、铂等，或者以石墨、碳、玻碳作为阴极，优选铂。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，所述电解过程中，外加直流电压为5～10V。本专利技术可以通过在较低电压下制得大量金属氧化物纳米颗粒。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，所述电解的温度为0～50℃，优选10～35℃，更优选20～25℃。
[0021]在本专利技术的一些实施方式中，所述电解的时间为开始至阳极金属完全溶解，也可中途结束电解，移除电极，进入后续搅拌步骤。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，在电解结束后，固液分离前，还包括在空气中进行搅拌的步骤。通过搅拌可使阳极产生的金属离子与阴极产生的氢氧根快速反应形成氢氧化物沉淀，进一步再转为金属氧化物纳米颗粒胶体。
[0023]在本专利技术的一些实施方式中，所述搅拌的时间为6～24h；所述搅拌的温度为0～50℃，优选10～35℃，更优选20～25℃。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，所述固液分离的方法包括离心、过滤中的任意一种或多种的组合。
[0025]在本专利技术的一些实施方式中，固液分离后得到的金属氧化物纳米颗粒的粒径为5～100nm，优选10～60nm，更优选10～50nm。
[0026]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(2)中，所述有机配体包括油酸、油胺、硬脂酸、十八胺中的任意一种或多种，优选为油酸和油胺的组合。
[0027]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(2)中，在所述金属氧化物纳米颗粒的表面修饰有机配体，得到组装体的步骤具体为，将所述金属氧化物纳米颗粒与有机配体混合，反应后分离得到固体。
[0028]更具体地，将所述金属氧化物纳米颗粒分散于含水溶液中，得到溶液A；将有机配体溶于有机溶剂中，得到溶液B；将所述溶液A和溶液B混合后静置分层，取有机层进行固液分离。在固液分离与洗去多余有机配体后，所得固体可转移分散于另一有机溶剂中，得到溶液C，待溶剂挥发后得到组装体。
[0029]在本专利技术的一些实施方式中，所述含水溶液优选为小分子醇与水的混合溶液；所述小分子醇为水溶性醇，包括乙醇、甲醇、异丙醇中的任意一种或多种，优选乙醇。所述有机溶剂为密度小于水的非水溶性非极性溶剂，包括甲苯、环己烷、正己烷中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维分级多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)以金属为阳极，在水或水溶液中进行电解；电解结束后进行固液分离，得到金属氧化物纳米颗粒；所述金属的标准氧化还原电势<0V；(2)在所述金属氧化物纳米颗粒的表面修饰有机配体，得到组装体；(3)对所述组装体依次进行碳化、去除金属氧化物纳米颗粒、石墨化，得到三维分级多孔石墨烯。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：所述金属的标准氧化还原电势为
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2.5～
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0.01V，优选
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0.5～
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0.02V；优选地，所述金属包括铁、钴、镍、锡、钼、铝、镁、钨、锰中的任意一种或多种。3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于：所述电解过程中，外加直流电压为5～10V；优选地，所述电解的温度为0～50℃，优选10～35℃，更优选20～25℃。4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于：在电解结束后，固液分离前，还包括在空气中搅拌的步骤；优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：董安钢，李明重，杨东，张翼，
申请(专利权)人：佛山市格瑞芬新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：