[发明专利]一种具有分散尺度的复合石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，特别涉及一种具有分散尺度的复合石墨烯及其制备方法。 

背景技术

石墨烯（单层）是一种由sp2杂化的碳原子组成的具有六角型蜂巢晶格结构的平面二维材料，单层石墨烯是指片层厚度约为单个碳原子厚度的石墨烯片，少层石墨烯则是指由3-10层单层石墨烯片组成的石墨烯。石墨烯自2004年首次被科学家成功制备以来（Novoselov,K.S.et al.Science.2004,306,666），被认为是目前最薄和最硬的材料（Lee,C.et al.Science.2008,321,385)，并且具有超高的电子迁移率（其电子迁移率大于15000cm²/V·s，Morozov.S.V.et al.Phys.Rev.Let.2008,100,016602）,以及较高的比表面积（其理论比表面积达高达2675m²/g）,因而在需要高导电性及高比表面积的电极材料领域成为研究热点，例如用石墨烯作为超级电容器材料、锂离子电池负极材料等。 

然而，石墨烯极易发生团聚现象。在具体应用过程中，片层与片层往往不同程度地重叠聚集在一起，因而与均匀分散的石墨烯相比其实际比表面积下降，导致与比表面积相关的性能下降。当石墨烯作为超级电容器电极材料应用时，这种影响尤为明显。团聚的发生使得电解液与石墨烯的接触表面积减少，直接导致感应电荷减少，从而使得超级电容器的比电容降低。因此，在尽可能制备出单层或少层石墨烯的同时，防止石墨烯在分散和应用过程中发生团聚则变得十分必要。 

在现有技术中，制备石墨烯溶液时，常常采用添加有机稳定剂（如tritonX-100）的方法，或者化学修饰增加官能团的方法防止石墨烯片层在溶液中的团聚。但是，这些方法由于其他成分的引入而影响了石墨烯材料原本优异的性能；此外，这些方法也仅局限于石墨烯溶液样品，当除去溶剂制备成石墨烯固体并应用时仍然会发生石墨烯片层的重叠聚集。另外，关于石墨烯复合材料的制备与应用的文献也很多，例如将石墨烯与纳米碳管复合构成的复合材料等。该方法虽然在一定程度上减少了石墨烯的团聚，但是其应用往往受到所复合材料的影响和限制。例如，当石墨烯作为电极材料应用时，加入碳管复合后，其比表面会受到碳管比表面的影响；当石墨烯作为超级电容器材料应用时，与金属氧化物复合后，电容器将不再是双电层型而是赝电容型。 

发明内容

本发明针对上述石墨烯材料在分散和应用过程中易发生团聚的问题，提供一种具有新型结构的石墨烯材料，该石墨烯材料不含其他复合成分，石墨烯片层间不易层叠，从而能够增大石墨烯材料的可用比表面积，降低其接触电阻。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有分散尺度的复合石墨烯，如图1所示，该复合石墨烯由两种或两种以上石墨烯堆垛形成，每种石墨烯的二维尺度不同，分别在10纳米～100微米范围之间。 

与现有技术相比，上述复合石墨烯材料因为由不同二维尺度的石墨烯组成，并且各 尺度的石墨烯呈堆垛结构，所以能够有效控制石墨烯材料的团聚现象发生,从而有效提高石墨烯在实际应用中的相关性能。例如，实验证实，当石墨烯作为超级电容器材料应用时，本发明的复合石墨烯材料具有较高的电化学性能。 

本发明还提供了一种通过氧化还原法制备上述具有分散尺度的复合石墨烯的方法，具体包括如下步骤： 

步骤1、制备不同二维尺度的氧化石墨烯水溶液： 

以两种或两种以上具有不同二维尺度的石墨分别为原料，通过氧化反应制备氧化石墨，然后分别配制成氧化石墨水溶液，超声处理后得到不同二维尺度的氧化石墨烯水溶液； 

步骤2、制备具有分散尺度的复合石墨烯： 

如图1（a）所示制备路线，将步骤1得到的不同二维尺度的氧化石墨烯水溶液按比例混合，超声分散均匀后得到具有分散尺度的复合氧化石墨烯水溶液，然后通过还原法得到具有分散尺度的石墨烯水溶液，再经干燥处理后得到具有分散尺度的复合石墨烯； 

或者，如图1（b）所示制备路线，将步骤1得到的不同二维尺度的氧化石墨烯水溶液中的至少一种单独通过还原法制得相应二维尺度的石墨烯水溶液，然后将所制得的石墨烯水溶液与其余氧化石墨烯水溶液按比例混合，超声分散均匀后得到复合氧化石墨烯-石墨烯水溶液，最后通过还原法得到具有分散尺度的石墨烯水溶液，经干燥处理后得到具有分散尺度的复合石墨烯；