[发明专利]一种具有高比电容的石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体的说，涉及一种具有高比电容的石墨烯及其以模板和催化作用制备石墨烯的新方法。

背景技术

石墨烯作为一种由1-10层碳原子组成的二维平面结构超薄纳米材料，自2004年通过“scotch-tape”剥离石墨首次制得以来（2010年获得诺贝尔物理学奖），因其具有优良的电学、光学和热学性能，在微电子、生物医学、能量贮存和转化、传感器等方面起着十分重要的作用，是一种具有重要应用前景的材料。随着各方面应用发展的需要，对石墨烯的需求量大大增加，对石墨烯的结构和性能要求更高，然而“scotch-tape”剥离法生产的石墨烯，已无法满足工业应用的需要。最近几年新发展的石墨烯的制备方法主要有“top-down”法和“bottom-up”法：前者主要仍是以石墨为原料，通过“机械剥离”、“氧化还原”、“液相剥离”“电化学剥离”等方法来克服石墨层间的强π-π相互作用来获得石墨烯，该方法既耗时又费力，并且产量仍然很低；后者主要利用一些含碳的试剂，如乙醇和金属钠、hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC)等通过高温高压反应制备石墨烯，然而这些方法生产出的石墨烯质量普遍比较低，主要表现为容易聚集（低比表面积）、引入了一些含氧的基团（导电性低）、二维尺寸以及层数不宜控制等，其应用受到了限制。虽然“化学气相沉积（CVD）”也作为一种有效的“bottom-up”方法，可以将碳氢化合物或者无定形碳转化为高质量的石墨烯，但是这种方法所需要的设备昂贵，石墨烯的产量也较低，并且制备条件要精确控制（否则形成的是石墨晶体而非石墨烯），这些也限制了石墨烯的生产与应用。针对以上方法的不足之处，在本发明中，首次通过层状MCM-22分子筛的模板作用以及镍的催化作用，将无定型碳转化为石墨烯，实现了高质量的石墨烯可控和大规模制备，并且发展了其在超级电容器中的应用。这些将为发展石墨烯的生产与应用提供技术基础，具有更重要现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高比电容的的石墨烯的制备方法，其操作简单，成本较低，重现性好，可用于大规模制备。

本发明的目的还在于提供一种具有高比电容的石墨烯，其具有大的比表面积、高的导电性、可控的二维尺寸和层数，可应用于电化学超级电容器中。

本发明中，高比电容石墨烯的制备方法采用模板催化法，即首先将MCM-22沸石分子筛浸渍在碳源、镍盐和浓硫酸的混合液中，让碳源分子和Ni²⁺离子充分的进入到MCM-22分子筛的层与层之间，然后在低温下预碳化得到棕色的粉末；再将该粉末在高温、惰性气体的保护下焙烧一段时间，得到石墨烯和MCM-22分子筛的复合物；最后将此复合物将MCM-22分子筛和镍溶解，通过离心分离，并干燥即可得石墨烯材料。

本发明提供的一种高比电容石墨烯的制备方法，具体步骤如下：

(1)将MCM-22分子筛加入到碳源、浓硫酸和镍盐的混合水溶液中浸渍，室温搅拌，使其溶解后，于60-200℃温度下进行预碳化处理得到固体粉末；其中MCM-22、碳源、镍盐和浓硫酸质量比为1：（1～3）：（0.02～0.06）：（0.1～0.3）；

（2）将步骤（1）得到的固体粉末放入到真空管式炉中，惰性气体保护下，在500-1200℃的温度下焙烧1-3小时，得到Ni-MCM-22/石墨烯复合材料；

（3）将步骤（2）制备得到的Ni-MCM-22/石墨烯复合材料进行去除镍、去除MCM-22处理后，离心分离、并干燥即可得高比电容石墨烯粉末。 

本发明中，步骤（1）中，所述碳源为蔗糖、葡萄糖、果糖中任一种

本发明中，步骤（1）中，所述镍盐选自氯化镍、硝酸镍、醋酸镍或硫酸镍中的任一种。

本发明中，步骤（1）中，步骤（1）中，所述预碳化的温度为100-160℃范围。

本发明中，步骤（1）中，将所述MCM-22分子筛在混合水溶液中浸渍及预碳化可以一次性或分多次完成，即将步骤（1）得到的固体粉末可再次浸入碳源、浓硫酸和镍盐的混合水溶液中浸渍及预碳化处理；

本发明中，步骤（2）中，所述惰性气体为氮气或者氩气。

本发明中：步骤（3）中，如果不去除Ni和MCM-22，得到的是Ni-MCM-22/石墨烯复合材料；如果只去除Ni，得到的是MCM-22/石墨烯复合材料；如果只去除MCM-22，得到的是Ni/石墨烯复合材料。