具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯及其製備方法
2023-12-01 04:16:01 2
專利名稱：具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯及其製備方法
技術領域：
本發明涉及納米材料，本發明也涉及一種納米材料的製備方法，屬於材料科學領域。具體涉及一種具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯及其製備方法。
背景技術：
石墨烯材料是由單層石墨組成的納米級石墨材料，由於具有優異的導電性、導熱性及力學性能，在納米器件、導熱、導電及儲能領域有著巨大的潛在應用價值，石墨烯材料的理論比表面積高達^K)0m2/g，具有突出的導熱性能(3000W/(m*K))和力學性能 (1060GPa)，以及室溫下高速的電子遷移率[15000cm2/(V · s)]。但是由於石墨烯片層間高的範德華力，使得其在製備過程中很容易團聚，導致其比表面積不能充分的利用。多孔石墨烯是在石墨烯的片層中通過物理或化學的方法製造一些具有納米尺寸的孔洞，這種結構使得石墨烯在作為能源、催化或者吸附材料時，不僅具有很高的比表面積，同時還有很好的傳質效應，充分發揮這種二維納米片層材料的優勢，目前關於多孔石墨烯的製備還少有報導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種不僅在石墨烯片層分布直徑大於2nm的孔洞，而且在石墨烯片層間具有柱狀的支撐體，減小石墨烯片層間的傳質阻力的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯。本發明的目的還在於提供一種具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法。本發明的目的是這樣實現的本發明的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯是由多孔石墨烯片層以及支撐在多孔石墨烯片層間的納米碳柱組成；所述多孔石墨烯片層厚度小於lOnm，多孔石墨烯片層上的孔徑為2 IOnm ；所述納米碳柱直徑為2 lOnm，高度為2 lOnm。本發明的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法包括如下步驟(1)將具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板、碳的前驅體，加入到能溶解碳前驅體的有機溶劑中，混合均勻；(2)將步驟(1)的產物加熱抽真空去除溶劑；(3)將步驟(2)所得產物於惰性氣氛下在500 1000°C熱處理30 400min ；冷卻後收集固體產物；(4)用稀酸處理固體產物將金屬氧化物模板除去，即得具具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯材料。所述具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板是鹼土金屬氧化物或過渡金屬氧化物中的一種或兩種以上的混合物。所述碳的前驅體為聚合物、浙青、葡萄糖、蔗糖類能夠高溫碳化成碳的有機物其中的任意一種。具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板與碳的前驅體以及溶劑的重量比為1 0. 01 100 10 1000。所述熱處理是通過感應加熱、輻射熱能、雷射、紅外、微波、等離子體或紫外線加熱進行的熱處理。本發明的製備方法製備的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯材料，不僅在石墨烯片層分布直徑大於2nm的孔洞，而且在石墨烯片層間具有柱狀的支撐體，減小石墨烯片層間的傳質阻力，這種特殊的結構可以使該材料在儲能、儲氫、催化、環保等領域具有廣泛的應用的前景。本發明所製備的具有層間柱狀支撐的多孔石墨烯不僅比表面積高，導電性能優良，而且具有很低的片層間以及片層表面的傳質阻力，使得該材料可以作為優良的電極材料、儲能材料、催化材料以及吸附材料，因此具有廣泛的應用前景，同時該材料，製備方法簡單、原料易得、可以批量製備、容易實現工業化生產。
圖Ia為本發明所述的具有層間柱狀支撐結構的多孔石墨烯材料的示意圖；圖Ib為圖Ia的左視圖；圖2為本發明實施例2所製備的多孔石墨烯材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明實施例1將厚度為2匪，孔徑為2nm的片層多孔MgO，與聚乙烯、甲苯以重量比1 10 100 的比例均勻混合，抽真空去除溶劑後置於惰性氣氛氮氣中600°C熱處理300min，冷卻後，收集固體，置於稀鹽酸中充分洗滌，過濾水洗至中性，烘乾後既得具有層間柱狀多孔石墨烯材料。實施例2將厚度為lOnm，孔徑為5nm的片層多孔MgO，與浙青、四氫呋喃以重量比1 5 50 的比例均勻混合，抽真空去除溶劑後置於惰性氣氛氮氣中700°C熱處理200min，冷卻後，收集固體，置於稀鹽酸中充分洗滌，過濾水洗至中性，烘乾後既得具有層間柱狀多孔石墨烯材料。實施例3將厚度為4nm，孔徑為2nm的片層多孔MgO，與葡萄糖、N, N-2甲基甲醯胺以重量比1 20 500的比例均勻混合，抽真空去除溶劑後置於惰性氣氛氮氣中800°C熱處理 60min，冷卻後，收集固體，置於稀鹽酸中充分洗滌，過濾水洗至中性，烘乾後既得具有層間柱狀多孔石墨烯材料。實施例4將厚度為4nm，孔徑為2nm的片層多孔MnO2,與浙青、四氫呋喃以重量比1 5 50 的比例均勻混合，抽真空去除溶劑後置於惰性氣氛氮氣中800°C熱處理60min，冷卻後，收集固體，置於稀鹽酸中充分洗滌，過濾水洗至中性，烘乾後既得具有層間柱狀多孔石墨烯材料。
實施例5將厚度為2匪，孔徑為2nm的片層多孔NiO，與聚丙烯、甲苯以重量比1 10 100 的比例均勻混合，抽真空去除溶劑後置於惰性氣氛氮氣中600°C熱處理50min，冷卻後，收集固體，置於稀鹽酸中充分洗滌，過濾水洗至中性，烘乾後既得具有層間柱狀多孔石墨烯材料。實施例6將厚度為4nm，孔徑為2nm的片層多孔Co3O4,與浙青、四氫呋喃以重量比1 5 50 的比例均勻混合，抽真空去除溶劑後置於惰性氣氛氮氣中700°C熱處理60min，冷卻後，收集固體，置於稀鹽酸中充分洗滌，過濾水洗至中性，烘乾後既得具有層間柱狀多孔石墨烯材料。
權利要求
1.一種具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯，其特徵是是由多孔石墨烯片層以及支撐在多孔石墨烯片層間的納米碳柱組成；所述多孔石墨烯片層厚度小於lOnm，多孔石墨烯片層上的孔徑為2 IOnm ；所述納米碳柱直徑為2 lOnm，高度為2 lOnm。
2.一種具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是包括如下步驟(1)將具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板、碳的前驅體，加入到能溶解碳前驅體的有機溶劑中，混合均勻；(2)將步驟(1)的產物加熱抽真空去除溶劑；(3)將步驟⑵所得產物於惰性氣氛下在500 1000°C熱處理30 400min；冷卻後收集固體產物；(4)用稀酸處理固體產物將金屬氧化物模板除去，即得具具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯材料。
3.根據權利要求2所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是 所述具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板是鹼土金屬氧化物或過渡金屬氧化物中的一種或兩種以上的混合物。
4.根據權利要求2或3所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是所述碳的前驅體為聚合物、浙青、葡萄糖、蔗糖中的任意一種。
5.根據權利要求2或3所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板與碳的前驅體以及溶劑的重量比為 1 0. 01 100 10 1000。
6.根據權利要求4所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是 具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板與碳的前驅體以及溶劑的重量比為1 0.01 100 10 1000。
7.根據權利要求2或3所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是所述熱處理是通過感應加熱、輻射熱能、雷射、紅外、微波、等離子體或紫外線加熱進行的熱處理。
8.根據權利要求4所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是 所述熱處理是通過感應加熱、輻射熱能、雷射、紅外、微波、等離子體或紫外線加熱進行的熱處理。
9.根據權利要求5所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是 所述熱處理是通過感應加熱、輻射熱能、雷射、紅外、微波、等離子體或紫外線加熱進行的熱處理。
10.根據權利要求6所述的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯的製備方法，其特徵是 所述熱處理是通過感應加熱、輻射熱能、雷射、紅外、微波、等離子體或紫外線加熱進行的熱處理。
全文摘要
本發明提供的是一種具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯及其製備方法。(1)將具有片層結構的多孔金屬氧化物無機模板、碳的前驅體，加入到能溶解碳前驅體的有機溶劑中；(2)將步驟(1)的產物加熱抽真空去除溶劑；(3)將步驟(2)所得產物於惰性氣氛下在500～1000℃熱處理30～400min；冷卻後收集固體產物；(4)用稀酸處理固體產物將金屬氧化物模板除去，即得具具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯材料。本發明的製備方法製備的具有層柱狀支撐結構的多孔石墨烯材料，不僅在石墨烯片層分布直徑大於2nm的孔洞，而且在石墨烯片層間具有柱狀的支撐體，減小石墨烯片層間的傳質阻力，在儲能、儲氫、催化、環保等領域具有廣泛的應用的前景。
文檔編號B82Y40/00GK102515151SQ20111043470
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月22日 優先權日2011年12月22日
發明者劉洋, 範壯軍, 閆俊, 魏彤 申請人:哈爾濱工程大學