[发明专利]一种负载非晶态碳的石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学能源领域，尤其涉及一种负载非晶态碳的石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：1，高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，断裂强度：(125GPa)；2，高热导率，(5,000W/mK)；3，高导电性、载流子传输率，(200,000cm²/V*s)；4，高的比表面积，(理论计算值：2,630m²/g)。尤其是其高导电性质，大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。到目前为止，所知道的制备石墨烯的方法有多种，如：(1)微机械剥离法。这种方法只能产生数量极为有限石墨烯片，可作为基础研究；(2)超高真空石墨烯外延生长法。这种方法的高成本以及小圆片的结构限制了其应用；(3)化学气相沉积法(CVD)。此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。(4)溶剂剥离法。此方法缺点是产率很低，限制它的商业应用；(5)氧化-还原法。此方法是最简单可大量获得石墨烯的一种普遍方法，整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨，氧化石墨剥落产生的石墨烯氧化物，再通过化学试剂或热还原为石墨烯。此方法合成的石墨烯最终氧含量较高，纯度不够；氧原子的存在对于石墨烯用作电极材料的电压有一定的影响。

石墨烯的研究已经成为目前材料的研究热点，石墨烯也是碳材料的一种，在很多方面与碳材料有相同的性质，但同时它又以二维结构存在具有自己独特的性质，而且两种材料的应用都特别的广泛，基于以上原因，发挥两种不同材料的优势，我们提出了一种新型石墨烯材料的制备方法。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种负载非晶态碳的石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1、根据Hummers法，将石墨，如石墨片进行氧化反应，制得氧化石墨；

2、将上述制得的氧化石墨加入水中，超声分散后，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；

3、将非晶态碳加入到上述氧化石墨烯溶液中，室温搅拌1～24h，得到均匀分散的混合溶液；其中所述非晶态碳与石墨烯的质量比为1∶1～20；

4、将上述混合溶液在真空干燥箱中以80～120℃干燥1～24h，真空干燥除去溶剂，得到粉末，将该粉末放入通有惰性气体的管式炉中以10℃/min缓慢速度升温至300～800℃加热1～12h，再将粉末随炉冷却至室温；接着向管式炉中通入还原气体(如，氢气，或者体积比为1～30％∶1的氢气与惰性气体的混合气体，且惰性气体为氩气、氮气、氦气或氖气)5-10min，控制还原气体的流量在60ml/min，将管式炉中的空气排出，形成还原气氛，然后将温度升温至600～1200℃，在此温度下保持加热1～10h，还原完毕后，在还原气氛下冷却至室温，得到负载非晶态碳的石墨烯复合材料。

上述制备方法中，所述氧化石墨制备步骤中，还包括如下步骤：

①、将石墨、过硫酸钾和五氧化二磷分别加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6h以上，洗涤至中性，干燥，得到样品；

②、将干燥后的样品加入0℃的200-250mL浓硫酸中，再加入高锰酸钾，并在0-20℃保温5-60分钟，然后在35℃的油浴中保持1-2h后，缓慢加入含双氧水的去离子水，得到混合物；

③、待上述混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用盐酸进行洗涤、抽滤、在60℃真空干燥48h，即得到氧化石墨。

本发明具有如下有益效果：

(1)通过将分散均匀的氧化石墨烯与可溶性有机碳源水中搅拌，可以使还原后的碳能够很好的插入石墨烯片层之间，更好地发挥性能互补的效果；

(2)采用热还原和氢气热还原两步还原法可以降低石墨烯中氧的含量，提高石墨烯的纯度；

(3)工艺流程简单，反应时间短；

(4)该方法制备的复合材料具有很高的比表面积，在储能、催化等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明负载非晶态碳的石墨烯复合材料制备工艺流程图；

图2为实施例1中得到的复合材料组装成超级电容器在不同的电流密度下进行的充放电测试图。

具体实施方式