[发明专利]一种多级孔结构的石墨烯纤维及其制备与用途

说明书

技术领域

本发明属于碳材料及其制备技术领域，特别涉及一种多级孔结构的石墨烯纤维及其制备与用途。

背景技术

石墨烯是一类新型的碳纳米材料，具有比表面积大，孔径丰富、化学稳定性好的特点，适于做透明导电显示材料，电化学储能的电极材料或催化剂的载体，以及吸附材料。这类物质可以用石墨逐渐剥离的方法，或化学沉积的方法，或用化学氧化石墨的制备氧化石墨烯，再进行还原的方法，制得尺寸较大，层数较少的二维片状结构。但尺寸较大的片状材料易堆叠，降低比表面积，孔径变小，不利于电化学储能时的需要离子快速扩散等的使用场合。利用颗粒状或片状的无机物模板，利用化学气相沉积的方法，可以制备得到较小尺寸的多孔石墨烯，有效解决了微观上离子扩散的问题。但这类材料，由于尺寸小，不易直接成膜，加工性能变差。如果使用大量的粘接剂来使其成膜，又会堵塞部分孔，且降低了电极材料的在器件的比例，也不利实际的电化学储能器件的性能提升。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多级孔结构的石墨烯纤维及其制备与用途，既能够保证石墨烯的多孔结构，又能够方便地构成宏观尺寸的膜材料，且不损失其离子扩散性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多级孔结构的石墨烯纤维，所述多级孔结构的石墨烯纤维的外径为0.01～100μm，长径比为20：1～2000：1，比表面积为500～2800m²/g。

上述多级孔结构的石墨烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将无机物模板置于反应器中，在载气中升温至500-1200℃；

步骤2：通入含碳元素的工艺气体，在同温度下分解，并沉积在无机物模板上，得到碳与无机物模板的混合物，反应0.01-2小时后，关闭工艺气体，在氢气与惰性气体保护下降至室温；

步骤3：将固体产物取出，用0.1-0.5mol/L的盐酸或硝酸在5-90℃下处理0.1-4小时，之后过滤并用去离子水洗涤至中性、干燥后得到最终产品。

所述无机物模板的成分为水合碳酸镁、水合硫酸镁、氧化镁、氮化镁、水合氯化镁、六氨氯化镁、水合氢氧化镁、氢氧化镁、碱式碳酸镁、碱式次氯酸镁、氯酸镁、碳酸锌、硫酸锌、氢氧化锌或者氧化锌，其直径和长径比与所述多级孔结构的石墨烯纤维相同。

所述载气为氢气、氮气、氩气、氦气、CO、CO₂或水蒸汽中的一种或以任意比例混合的多种。

所述含碳元素的工艺气体为氢气、碳源与惰性气体的混合物，三者体积比为（1-5）：（1-5）：（1-5），碳源为C₁-C₈有机化合物中任一种或以任意比例混合的多种，惰性气体为氩气、氦气或氮气中的一种或以任意比例混合的多种。

所述惰性气体为氩气、氦气或氮气中的一种或以任意比例混合的多种。

所述在5-90℃下处理是将所有的固体泡在酸中，使能够溶于酸的物质溶解。

所述反应器包括：固定床，流化床与移动床。

所述多级孔结构的石墨烯纤维可用作超级电容器的电极材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明使用的方法简单，适应范围广，能够制备长径比范围较大的石墨烯纤维。同时孔径与比表面积可调。

2）所得产品为宏观的一维线性纤维结构，在酸洗去除无机物模板时非常容易过滤，易清洗，制备成本下降5-10%.

3）所得的多级孔结构的石墨烯纤维，易膜加工，所得膜比小尺寸或大尺寸的石墨烯片构成的膜强度好，扩散性能好。用作电容储能材料时，同样能量密度下的体积能量密度提高50-200%.用作气体吸附材料时，同等吸附效率下，压降低5-10%.用作液体吸附材料时，容量增加20-50%,通过挤压挤出所吸附物质后，进行循环使用的次数提高4-6倍。

4）所得多级孔结构的石墨烯纤维，与更大尺寸的石墨烯泡沫或石墨烯绳。或碳纳米管泡沫，碳纳米管绳相比，更加方便加工为膜材料，使用便捷。

附图说明

图1为所制备的多级孔结构的石墨烯纤维的宏观结构。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

实施例1