[发明专利]具有多孔结构的石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种具有多孔结构的石墨烯及其制备方法，所述的石墨烯属于新材料技术领域，石墨烯的制备方法涵盖了催化剂制备和工艺过程技术领域。

背景技术

石墨烯作为一种新型二维结构的碳材料，是由Novoselov等人于2004年首次发现的(Novoselov，K.S.；Geim，A.K.；Morozov，S.V.；Jiang，D.；Zhang，Y.；Dubonos，S.V.；Grigorieva，I.V.；Firsov，A.A.Science 2004，306，666-9)。石墨烯是目前所知的最薄、强度最大的材料，具有优良的导电能力，能够承受比铜高六个数量级的电流密度，具有创纪录的导热能力，并且同时具有高硬度和良好的延展性(Geim，A.K.Science 2009，324，1530-4)。另外，如果能够把石墨烯这个典型的二维平面结构材料进行随意剪裁，就可以获得不同性能的石墨烯材料。石墨烯的这一系列优良的性能使它在许多领域都有潜在的应用前景，成为近期研究的热点。

石墨烯的研究和应用对它的大批量、低成本制备提出了迫切要求。目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离、石墨插层、氧化石墨还原和气相化学沉积等方法。其中，微机械剥离方法对设备、过程控制要求较高，不适于大批量低成本的生产石墨烯；石墨插层和氧化石墨还原两种方法虽然可以直接采用石墨来大批量制备石墨烯，但是由于制备工艺中需要引入某些有毒试剂或者其它官能团，而且氧化石墨还原不充分会导致其一些物理、化学等性能损失，尤其是导电性；气相化学沉积法是应用最广泛的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的方法，其生产工艺十分完善，但是目前相关研究工作多采用金属基片制备石墨烯，这种方法不适于发展大批量低成本制备石墨烯产品。因此，目前想获得大批量的优质石墨烯产品还存在一定困难。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有新型结构特点的多孔石墨烯及其制备方法，该制备方法采用多孔催化剂模板催化生成多孔石墨烯材料，以低成本、大批量制备多孔石墨烯。

一方面，本发明提供了一种新型石墨烯材料-多孔石墨烯。该石墨烯材料由单层或者多层石墨烯结构单元组成，在单层或者多层石墨烯结构单元上具有显著的孔结构，孔径分布范围0.1～200nm，比表面积在300～2000m²/g。

另一方面，本发明还提供制备所述具有多孔结构的石墨烯材料的方法，该方法包括步骤：以MgO、Mg(OH)₂、Al₂O₃、Al(OH)₃、水滑石类化合物和/或这些物质对应的煅烧产物为催化剂，或者，以MgO、Mg(OH)₂、Al₂O₃、Al(OH)₃、水滑石类化合物或这些物质对应的煅烧产物为载体进一步负载Fe、Co、Ni和Mo中的一种或多种活性组分后为催化剂；在反应温度300～1000℃温度范围内，采用使用氮气、氩气、氦气等惰性气体和含碳烃类的的气相化学沉积法，制备得到具有多孔结构的石墨烯材料。

上述制备方法中，所述水滑石类化合物为阳离子元素包括Al、Mg、Fe、Co、Ni、Mo、Mn元素的至少两种的水滑石类化合物。

上述制备方法使用的催化剂或者催化剂载体具有显著的孔结构，孔径分布范围为约1～200nm，比表面积约10～300m²/g。

根据本发明的优选具体实施方案，所述催化剂或者催化剂载体通过包含以下步骤的过程制备：将MgO、Mg(OH)₂、Al₂O₃、Al(OH)₃、水滑石类化合物和/或这些物质对应的煅烧产物，或者，上述物质进一步负载Fe、Co、Ni和Mo中的一种或多种活性组分后的产物，于80～300℃水热处理、煮沸；并于200～900℃在空气、氮气或者惰性气体气氛中煅烧。得到具有孔结构的片层状催化剂。

实验表明：利用本专利中提供的制备方法能够有效地获得多孔石墨烯材料，该多孔石墨烯具有显著的孔结构(孔径0.1～200nm)和较大的比表面积(300～2000m²/g)，在超级电容器、导电填充材料等方面具有潜在的应用价值。而且本发明采用化学气相沉积法能够方便地实现多孔石墨烯材料的低成本大批量制备。

附图说明