[发明专利]一种中孔发达的高比表面石墨烯、及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中孔发达的高比表面石墨烯、及其制备方法，具体涉及一种中孔发达的高比表面石墨烯、及其制备方法，特别涉及一种采用化学-物理联合活化法制备中孔发达的高比表面石墨烯材料的方法，属于石墨烯材料的制备及应用领域。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料，具有超大的比表面积、优异的导电和导热性能，以及良好的化学稳定性。这些良好的性质使得基于石墨烯的材料成为一种理想的储能材料，包括超级电容电极材料、锂离子电池电极材料、储氢材料、燃料电池用材料等。

目前，工业上制备高比表面活性石墨烯的方法多为化学活化法，即以活化剂如KOH、NaOH等对碳原料进行腐蚀从而形成丰富的孔结构增加材料的比表面积，制备出高比表面活性石墨烯。该方法的化学活化反应速度快，生产周期短，孔径分布窄，但是化学活化法所使用的活化剂对设备腐蚀性大，成本高，且该方法所述的化学活化过程以生成微孔为主，不利于有机电解质离子的迁移，进而影响石墨烯材料的导电性，限制了石墨烯的应用，如影响超级电容器的功率特性。

CN102070140A公开了一种利用强碱和碳在高温下的反应，对热处理或者微波辐照得到的石墨烯粉末进行进一步化学处理，从而快速的、大批量的在石墨烯表面腐蚀出纳米量级的微孔，极大地提高其比表面积。但该发明选用的强碱试剂为配制的强碱水溶液，浓度为0.2-20mol/L，对设备的腐蚀严重，操作步骤繁琐，生产效率不高，且制备出的高比表面活性石墨烯大部分为微孔。

除化学活化外，传统的制备多孔碳材料的方法还有物理活化法，物理活化通常是将原料先炭化除去其中的可挥发成分，生成富碳的固体热解物，然后在水蒸气、CO₂和空气等氧化性气体与含碳材料内部的碳原子反应，通过开孔、扩孔和创造新孔进而形成丰富的孔结构。这些氧化性气氛的存在，能极大地增加材料的比表面积和多孔性，从而增大材料的比电容。一般炭化温度为400-600℃，活化温度800-1000℃。物理活化法生产工艺简单，不存在设备腐蚀和环境污染等问题，但物理活化所选用的活化剂反应活性相对较弱，难以在炭质前驱体内部形成发达的孔隙结构，要制备高比表面的炭材料，活化时间需要长达上百小时。

由此，在高比表面石墨烯中，材料的孔径对石墨烯的电学、化学等方面性能有着重要的影响，如何开发出一种成本较低，电容性能优异，且更加适合电解质离子迁移的高比表面石墨烯的制备方法，是本领域的一个亟待解决的问题。

发明内容

现有技术中，化学活化制备高比表面石墨烯的过程是以生成微孔为主，本发明为了形成更加适合电解质离子迁移的孔结构，将化学活化与物理活化两种方法有效地结合起来，希望能够制备出比表面积大且孔径分布合理的高比表面石墨烯材料，并且可以大幅减少活化剂的使用量，降低生产成本。

本发明的目的之一在于提供一种过程简单，环保且产率高的石墨烯制备方法。本发明所述方法制备得到的高比表面石墨烯的孔径可调、中孔结构发达、比表面积大、比电容高。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种中孔发达的高比表面石墨烯的制备方法，所述方法为在保护气氛中，将氧化石墨烯与活化气反应，进行活化；最后经洗涤，过滤和干燥得到具有中孔发达的高比表面活性石墨烯。

所述活化气为本领域熟知的能够对石墨进行活化的气体，典型但非限制性的实例有二氧化碳气、水蒸气等。

优选地，所述方法中，氧化石墨烯先于活化剂进行混合，然后再通入活化气，进行活化；最后经洗涤，过滤和干燥得到具有中孔发达的高比表面活性石墨烯。

作为优选技术方案，本发明所述中孔发达的高比表面石墨烯的制备方法为在保护气氛中，将氧化石墨烯与活化剂进行混合，同时通入活化气，进行活化；最后经洗涤，过滤和干燥得到具有中孔发达的高比表面活性石墨烯。所述的优选技术方法是一种化学-物理联合活化法制备中孔发达的高比表面石墨烯的方法。

其中，所述中孔发达的高比表面石墨烯的制备方法中，活化剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌中的任意1种或至少2种的组合，所述组合例如氢氧化钾/氢氧化钠的组合、磷酸/氯化锌的组合、氢氧化钾/氯化锌的组合、氢氧化钾/氢氧化钠/氯化锌的组合等；本领域技术人员应该明了，所述组合不包括碱和酸的组合，例如不包括氢氧化钾和/或氢氧化锂与磷酸的组合。