[发明专利]一种石墨烯/碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于精细化工技术领域，具体涉及一种石墨烯/碳复合材料的制备方法。

背景技术

2005年，Stankovich 等人把石墨深度氧化得到氧化石墨，然后把氧化石墨在水中进行超声处理，得到厚度约为 1nm 的单层氧化石墨片(Stankovich et al., Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4-styrenesulfonate). Journal of Materials Chemistry, 16:155)，这就是氧化石墨烯。

近些年来，由于石墨烯具有大的比表面积，高的导电性，石墨烯及其衍生物被广泛的应用于电化学领域。2008年，Rodney S. Ruoff等人使用化学修饰的石墨烯制备的电容器电容达到了135F/g（Stoller, M. D.; Park, S.; Zhu, Y.; An, J.; Ruoff, R. S., Graphene-Based Ultracapacitors. Nano Letters 2008, 8 (10), 3498-3502.）。此后，人们对石墨烯在电化学领域的应用进行了广泛的研究。然而由于石墨烯本身没有规整的多孔结构，限制了电容器中的电解质的传输和电荷的储存。

2012年．Klaus Mullen等人利用硅在石墨烯表面引入了规整的介孔结构，制备了高效率的电容器（Wu, Z.-S.; Sun, Y.; Tan, Y.-Z.; Yang, S.; Feng, X.; Muellen, K., Three-Dimensional Graphene-Based Macro- and Mesoporous Frameworks for High-Performance Electrochemical Capacitive Energy Storage. Journal of the American Chemical Society 2012, 134 (48), 19532-19535.）。2013年，Feng, X等人利用多孔的共轭聚合物在石墨烯的表面引入了微孔结构，从而得到了具有较好的氧还原催化效果的石墨烯复合材料（Zhuang, X.; Zhang, F.; Wu, D.; Forler, N.; Liang, H.; Wagner, M.; Gehrig, D.; Hansen, M. R.; Laquai, F.; Feng, X., Two-Dimensional Sandwich-Type, Graphene-Based Conjugated Microporous Polymers. Angewandte Chemie 2013, 125 (37), 9850-9854）。

发明内容

本发明提出一种简单、方便、环境友好的石墨烯/碳复合材料的制备方法，这种方法可以通过添加多糖等天然化合物，在水热的条件下生成碳来对氧化石墨烯进行修饰，从而得到具有多孔结构的石墨烯/碳复合材料。

本发明的方法即利用多糖等天然化合物在水热条件下生成具有大共轭结构的水热碳通过ππ相互作用与氧化石墨烯进行复合，形成三明治结构，同时，这层水热碳还可以进一步阻止石墨烯的聚合。石墨烯表面的这层水热碳在高温处理之后，在石墨烯表面形成多孔结构，而石墨烯又赋予了复合材料良好的导电性。

本发明提出的制备石墨烯/碳复合材料的方法，具体步骤如下：

在氧化石墨烯悬浮液中加入天然的化合物混合均匀，将混合分散液转移至高压反应釜中高温水热反应30min~12h，然后水冷或者自然冷却至室温，即可得到三明治型的石墨烯复合材料；所述石墨烯复合材料在高温惰性气体氛围下进行热处理30min~12h，得到比表面积大，导电性高的石墨烯/碳复合材料。

本发明中，石墨烯悬浮液通过氧化石墨烯加入到水或乙醇中得到，或是经过其他处理的石墨烯悬浮液。

本发明中，所述天然的化合物是任何种类可发生水热反应生成碳的物质，具体为葡萄糖、纤维素、甲壳素或鸡蛋白等中任一种。

本发明中，所述氧化石墨烯与天然的化合物的比例，可根据所反应的天然化合物的类型以及所需的复合材料的比表面积和用途来进行调节。

利用本发明制备方法得到的石墨烯/碳复合材料在制备电容器、电极材料或吸附材料中应用。