[发明专利]纳米孔石墨烯及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米孔石墨烯及其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯，即单层石墨，是由sp²杂化碳原子相互连接形成单分子层厚二维蜂窝状结构的新型碳材料。石墨烯以特有的电、力、光、机械、热性能，在新型材料界掀起了巨大的研究热潮。石墨烯常用的制备方法包括机械剥离、化学气相沉积、氧化还原、溶解热法剥离等。目前实验室最为常用、有效、可宏量制备石墨烯的途径是经过化学氧化和剥离制备氧化石墨烯，然后经过化学还原氧化石墨烯得到石墨烯。这类石墨烯被称为化学转化或化学修饰的石墨烯。但是经过上述化学氧化还原处理的石墨烯表面存在sp³杂化的无定形碳结构，这主要是由于氧化过程使石墨烯表面形成了羟基、环氧等含氧官能团，在化学还原的过程中还原点生成了带有结构缺陷的类石墨结构，这些结构缺陷大大降低了石墨烯材料的电学、光学、力学等性能。因此，如何修复化学法制备的石墨烯，减少缺陷无定形碳原子的含量是石墨烯制备手段中亟待解决的问题。另一方面，化学转化石墨烯在常规溶剂中不溶解也不能稳定分散。因此，无法用简便的方法加工成型。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米孔石墨烯及其制备方法与应用。

本发明提供的孔结构的石墨烯，其中，所述孔为纳米孔。所述纳米孔的孔径为20-100nm，优选40-70nm。所述孔结构的石墨烯中，片层间距为优选羧基的摩尔百分含量为7-10％，优选8-9％；导电率为185-435S/cm，优选355-435S/cm。所述羧基的摩尔百分含量，是通过对XPS图谱进行分峰处理后，依据相应的峰面积计算而得羧基连接碳原子数占石墨烯总碳原子数的比例，也即摩尔百分比。

本发明提供的制备所述石墨烯的方法，包括如下步骤：将化学转化的石墨烯分散液于硝酸水溶液中进行回流反应，反应完毕后水洗至中性，干燥得到所述石墨烯。

该方法中，所述化学转化的石墨烯水溶液的浓度为0.1-1.0mg/mL，优选0.25mg/mL；所述硝酸水溶液的浓度为1-16mol/L，优选8mol/L。所述回流反应步骤中，温度为80-105℃，优选100℃，时间为8-24小时，优选12小时。

本发明还提供了一种由所述石墨烯构成的石墨烯膜。所述石墨烯膜厚度为5-15μm，优选5-10μm。该石墨烯膜还可为透明薄膜，其透光率为46-92％，优选80-92％。

上述由石墨烯构成的石墨烯膜，可按照各种常规方法制备而得，如可包括如下步骤的方法制备而得：将所述孔结构的石墨烯分散于水中得到浓度为0.25-1mg/mL(优选1mg/mL)的石墨烯分散液后，再用聚四氟乙烯膜(孔径为0.22μm、直径为47mm)抽滤，得到所述石墨烯膜；

透光率为46-92％，优选80-92％的石墨烯膜，可按照包括如下步骤的方法制备而得：将所述孔结构的石墨烯分散于水中得到浓度为0.005-0.05mg/mL(优选0.01mg/mL)的石墨烯分散液后，依次用氧化铝模板(孔径为0.1μm、直径为47mm)抽滤后，将所用氧化铝模板用1M NaOH溶液中浸泡去除，再浸泡于水中至溶液扩散为中性后，转移至透明基底(玻璃，石英或聚酯膜)等上烘干(如60℃)后得到透光率为46-92％，优选80-92％的石墨烯膜。

另外，上述制备孔结构的石墨烯的方法中，作为反应原料的化学转化的石墨烯，可按照各种常规的化学方法由天然石墨制备而得，如可为包括如下步骤的方法制备而得：

1)将石墨、硝酸钠和浓硫酸于冰水浴中混匀，加入高锰酸钾后升温至-5℃，保持10-15分钟后加入水，并升温至30-40℃搅拌30-45分钟后，再加入水和过氧化氢的水溶液进行反应，反应完毕后将所得亮黄色溶液过滤并用250mL体积比为1∶10的HCl水溶液洗涤，将所得固体于空气中干燥后，在水中超声剥离将其分散，再在4000rpm的转速下离心去除底物后在水中透析一周，得到氧化石墨烯的稳定分散液；

2)将所述步骤1)所得氧化石墨烯的稳定分散液与氨水和水合肼于水中进行还原反应，反应完毕得到化学转化的石墨烯分散液；

所述步骤1)中，所述石墨的粒径为100-500目，优选325目；所述浓硫酸的质量百分浓度为68-98％，优选98％；所述过氧化氢的水溶液的质量百分浓度为3-30％，优选30％；所述石墨、硝酸钠、浓硫酸、高锰酸钾和过氧化氢的水溶液的用量比为3-5g∶0.5-1.5g∶50-100mL∶8-10g∶10-20mL，优选3.3g∶1.5g∶70mL∶9g∶15mL；所述反应步骤中，时间为25-45分钟，优选30分钟；