[发明专利]高密度高硬度石墨烯多孔炭材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯的高密度、高硬度、一次成型的多孔炭材料及其制备方法和应用，属于石墨烯技术领域。

背景技术

严格意义上的石墨烯是单原子层的石墨，即紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的sp²杂化单层碳原子晶体，不平整，有褶皱，是真正的二维晶体，被认为是构筑其它sp²碳质材料的基本结构单元。石墨烯具有优异的电学、力学、热学、光学性质，自2004年被发现以来，引起广泛的关注和持续至今的研究热潮。

作为前沿科学引领者的石墨烯实际上与我们息息相关，比如我们写字留下的铅笔划痕中就能找到它的身影。但是由于常规条件下制备的粉末状石墨烯填充密度极小，杂乱堆积，实际上很多场合下直接利用石墨烯比较困难，为了满足这些场合对石墨烯的要求，需要构筑具有一定结构的石墨烯基材料。像石墨一样，石墨烯很难直接制备成型，需要用一定的方法间接制备石墨烯组装体，比如从氧化石墨烯出发，采用溶胶-凝胶法[Marcus A. Worsley, Peter J. Pauzauskie, et al. Synthesis of Graphene Aerogel with High Electrical Conductivity[J]. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (40), 14067–14069. Marcus A. Worseley等，高导电性的石墨烯气凝胶的合成]、水热法[Yuxi Xu, Gaoquan Shi, et al. Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process[J]. ACS Nano, 2010, 4, 4324-4330.徐玉玺，石高全等，一步水热法制备自组装石墨烯水凝胶]、水煮法[Wei Lv, Quan-Hong Yang, et al. One-Pot Self-Assembly of Three-Dimensional Graphene Macroassemblies with Porous Core and Layered Shell[J]. J. Mater. Chem., 2011, 21, 12352-12357.吕伟，杨全红等，One-Pot自组装制备多孔核-层状壳结构三维石墨烯宏观体]等制备。杨全红等通过引入连结剂运用水热法制备出大表面积石墨烯基多孔三维组装体材料[杨全红，陶莹，吕伟，基于石墨烯的多孔宏观体碳材料及其制备方法，专利号：CN 201010568996.8]，但该多孔材料的和其他气凝胶材料一样，表现为密度低，强度小等特点。总之，这类多孔材料着眼于将石墨烯片层搭接交联形成一定的宏观结构，对其石墨烯成型性、强度等方面专注较少，并且通过主流的热膨胀法制备的石墨烯密度非常小，为其进一步实际应用带来困难。而通过物理压制法制备成型品普遍具有需要额外增加粘结剂、成型品不均一、微观接触差、高温处理易产生裂纹等缺点。活性炭作为典型的碳基多孔材料，虽然具有比较大的比表面积，但由于活化过程中引入很多缺陷，其基本结构单元石墨微晶片层较小，导致其导电性较差，在一定程度上阻碍了其在储能方面的应用，并且其自主成型也比较困难，即使成型，其密度和硬度也都比较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高密度、高硬度石墨烯基多孔炭材料及其自组装制备方法和应用。

本发明的技术问题通过以下技术手段予以实现：

一种石墨烯多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、原始溶胶制备：将石墨烯基组分、或石墨烯基组分与辅助组分的混合物加入溶剂中分散得到制备所述石墨烯多孔炭材料的原始溶胶；

步骤二、石墨烯基凝胶制备：将步骤一制备的原始溶胶置于反应容器升温至20～500℃，反应0.1～100h，制备得到石墨烯基凝胶；

步骤三、干燥处理：将石墨烯基凝胶在0～200℃下干燥后，即得到高密度高硬度石墨烯多孔炭材料。

优选地，

还包括以下步骤：

步骤四：将步骤三所得到的材料在缺氧的气氛下升温至100～3600℃热处理0.1～100h，或/和在200～2000℃采用活化反应的方法反应0.1～50h。

步骤一所述的石墨烯基组分为石墨、氧化石墨、氧化石墨烯、石墨烯中的至少一种。