[发明专利]一种多孔石墨烯纳米带及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯纳米带技术领域，尤其涉及一种多孔石墨烯纳米带及其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶体，具有很高的化学稳定性，并具有高导热性、常温下高于纳米碳管或硅晶体的电子迁移率、低于铜或银的电阻率等物理特性，因此成为了制备功率更小、速率更高的新一代纳米电子元件的重要基础性材料，也成为了研究的热点。随着石墨烯研究的深入，石墨烯及相关材料不断被开发研究出，例如：石墨烯、纳米碳管石墨烯纳米带，而石墨烯纳米带由于其特殊的结构及导电性成为了研究的热点。

石墨烯纳米带是目前世界上最薄，却也是最坚硬的纳米材料，由于石墨烯纳米带的独特结构：一种由碳原子以sp²杂化轨道组成，呈蜂巢状晶格而且只有一个碳原子厚度的二维材料；以及其独特的性质：几乎是完全透明、导热系数高达5300W/m·K、常温下电子迁移率超过15000cm²/V·s、电阻率却只有约10^-6Ω·cm，为目前世上电阻率最小的材料，因此石墨烯纳米带被预期可用来发展出更薄、导电速度更快的电子元件或晶体管，或是用来制造光板、甚至是太阳能电池。

研究表明石墨烯的边界对石墨烯储能起主导作用。石墨烯边界具有非饱和共价键结构，更易于参与反应，它对石墨烯基超级电容器比容量的贡献是石墨烯平面的几倍到十倍(J.Energy Chem./Vol.22/p.183/94/2013)。剪剖多壁碳纳米管是制备石墨烯纳米带一种有效的方法，多壁碳纳米管比表面积200～300m²/g，比容量20F/g，剪剖制备多边界的石墨烯纳米带显著提高电容性能。目前用来制备石墨烯纳米带的方法主要有碳化硅表面外延生长法等物理方法，Kosykin等人（Nature/Vol.458/p.872/16April2009）将多壁碳纳米管与浓硫酸、高锰酸钾强混合后加热到65℃，利用强氧化剂使纳米碳管开环得到石墨烯纳米带。然而，这种方法得到的是氧化石墨烯纳米带尺寸很小，分散于水中形成胶体溶液，很难用常规的离心分离方式进行清洗，后续的清洗非常困难，制约了该方法的进一步应用。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种多孔石墨烯纳米带的制备方法，本发明多孔石墨烯纳米带的制备方法简单，尤其是易于进行后续清洗，并且本发明制备的多孔石墨烯纳米带比容量较高。

有鉴于此，本发明提供了一种多孔石墨烯纳米带的制备方法，包括以下步骤：

将多壁碳纳米管、浓硫酸与浓硝酸混合，得到混合反应液，所述混合反应液第一次加热，得到预氧化的碳纳米管；

将所述预氧化的碳纳米管进行清洗后与插层剂混合，烘干后第二次加热，膨胀后得到石墨烯纳米带；

将所述石墨烯纳米带与活化剂混合后进行活化处理，得多孔石墨烯纳米带。

优选的，所述浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1；所述浓硫酸的浓度为70wt%～98wt%；所述浓硝酸的浓度为68wt%。

优选的，所述第一次加热的温度为50～100℃，时间为5～24h。

优选的，所述清洗后的碳纳米管与所述插层剂的质量比为1：（1～10）。

优选的，所述插层剂为草酸、草酸铵和双氧水中的一种或多种。

优选的，所述烘干的温度50～80℃。

优选的，所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠或氯化锌。

本发明还提供了上述方案所制备的多孔石墨烯纳米带。

优选的，所述多孔石墨烯纳米带的长度为5～15μm，宽度为10～70nm，比表面积1000～1500m²/g，孔径分布为5～10nm，振实密度0.15～0.25g/mL。

本发明还提供了所述多孔石墨烯纳米带在制备超级电容器中的应用。