[发明专利]膨胀石墨插层法制备介孔碳/石墨片复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于介孔碳基碳材料的制备领域。具体涉及介孔碳/石墨片复合材料的制备方法。

背景技术

介孔碳材料具有稳定的物理化学性质、较高的比表面积以及孔径大小可调等优点，因此广泛应用在燃料电池、锂离子电池以及超级电容器等领域。由于介孔碳本身的导电性很低，这会影响其性能的发挥从而限制其在一些领域的应用。为了提高介孔碳基材料的导电性，因此有必要将其与高导电性的碳材料进行复合，目前常用的是将其与碳纳米管以及石墨烯复合，制备介孔碳/碳纳米管以及介孔碳/石墨烯的碳基复合材料。这虽然能够提高介孔碳基材料的性能，但是由于碳纳米管以及石墨烯的价格昂贵，从而限制了这些复合材料的商业化生产。

膨胀石墨是由天然石墨经过简单的酸处理得到的，具有价格便宜、导电性好等优点，用其作为原料，在真空辅助的条件下，采用介孔碳前躯体插层法，可以制备出介孔碳/石墨片复合材料。该方法制备合成的介孔碳基碳材料具有低成本。易于商业化生产等优点。

发明内容

本发明要解决现有介孔碳基碳复合材料生产成本高、反应所需设备复杂、反应条件苛刻、产量低、难以工业化生产等技术问题；而提供了膨胀石墨插层法制备介孔碳/石墨片复合材料的方法。

本发明制备介孔碳/石墨片复合材料的产率在99.9％以上。采用不同的羟基化合物、醛基化合物来控制产品的结构，采用不同的表面活性剂可以调节孔尺寸大小，通过调节用量来调控所制备复合材料的导电性，从而制备具有不同结构性质的介孔碳/石墨片复合材料而应用于不同领域。本发明制备的介孔碳与石墨烯复合材料具有导电性好、厚度可控、孔尺寸可控、比表面积较大等特点，其中孔尺寸大小为2～20nm，厚度为10～100nm，比表面积为400～1000m²/g，该方法制备的介孔碳/石墨片复合材料在燃料电池、锂离子电池以及超级电容器等领域有重要的应用价值。本发明采用廉价的膨胀石墨作为原料，并采用超声、水热、碳化等成熟技术，所需的设备简单、反应条件温和，具有成本低、方法简单、易于工业化生产等特点。

附图说明

图1是试验一合成的多孔纳米石墨片的透射电子显微镜照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中膨胀石墨插层法制备介孔碳/石墨片复合材料的方法是按下述方法进行的：

步骤一、对膨胀石墨进行热膨胀处理，然后按膨胀石墨与表面活性剂的质量比为(10～1)∶10的比例加入含表面活性剂A的溶液中，再使用超声法或者加热搅拌法进行表面修饰，其中含表面活性剂A的溶液中的溶剂C为水、乙醇、丙醇及乙二醇中的一种或其中几种的混合，含表面活性剂A的溶液中表面活性剂A与溶剂C的质量比为1∶10～500；

步骤二、将表面活性剂B溶于溶剂D中，再加入羟基化合物与醛基化合物，羟基化合物与醛基化合物的质量比为1∶3～6，然后在50℃～75℃、搅拌速度为200r/min～400r/min条件下反应30min～20h，得到介孔碳前驱体溶液，其中所述的溶剂D为水、乙醇中的一种或两中的混合，表面活性剂B与溶剂D的质量比为1∶20～1∶50，羟基化合物与醛基化合物的总质量与溶剂D的质量比为1∶8～20；

步骤三、将经步骤一处理后膨胀石墨的放在真空抽滤瓶中，在抽真空的条件下，按经步骤一处理后的膨胀石墨与介孔碳前躯体溶液的质量比为1∶(50～300)的比例将步骤二制得的介孔碳前躯体溶液滴加到真空抽滤瓶中，滴加完成后(滴加时间为十分钟)，继续抽真空5min～2h(目的就是将介孔碳前躯体插层到膨胀石墨的层间)，然后采用水热法或微波法进行处理，得到复合材料前躯体；

步骤四、在惰性气体气氛条件下，以2℃/min～20℃/min的升温速度由室温升至600℃～1000℃，恒温下对复合材料前躯体进行碳化，碳化时间为1h～6h，其中所述惰性气体气氛流量为120mL/min～400mL/min；即得到介孔碳/石墨片复合材料。