[发明专利]一种石墨烯基多级孔炭材料及制法和应用

说明书

技术领域

本发明属于一种以石墨烯和纤维素为原料制备石墨烯基多级孔炭材料及制备方法和应用。

背景技术

近些年来，石墨烯基多孔炭材料的研究得到迅猛发展，主要是由于该类材料既具备石墨烯的独特特性（如优异的导电、导热性、良好的机械强度、柔韧性、化学稳定性等），同时又能克服石墨烯易于自身团聚和孔隙率不发达的缺陷，提高其比表面积和孔径分布范围并且赋予新的结构特征，从而使得该类新兴炭材料在纳米电子器件、气体传感器、超级电容器、储能材料以及光、电、热等诸多领域有着巨大潜在的应用价值。

目前，石墨烯基多孔炭材料的制备工艺主要分为两类，一类是模板法（硬或者软模板法），采用具有多孔结构的硬模板或者表面活性剂（软模板）与石墨烯前驱体在一定条件下复合，经组装、固化、还原、除模板，最后得到多孔石墨烯基炭材料。另一类是以氧化石墨烯为基底，其它含碳的化合物或聚合物为客体，在一定条件下两者有效复合，经炭化、活化、化学或热还原得到多孔石墨烯基炭材料。其中第一类工艺过程中受模板剂限制，而且得到的最终产品孔径分布较单一（由模板孔径大小决定）；第二类不受模板剂的限制，相对而言具有原料丰富的优势，然而氧化石墨烯作为原料（可能由于其表面含氧官能团丰富易修饰），最终需要经过化学还原或者热处理来得到石墨烯，不仅在制备氧化石墨烯时需要使用大量浓硫酸和强氧化剂，造成环境污染，而且氧化石墨烯最终需要转变成石墨烯，从而导致最终产物缺陷多，导电、导热性与本征石墨烯相差甚远，更为严重的是无法真正反映单层石墨烯的本征电化学性能。

例如，Chen等（Nat. Mater. 2011, 10, 424-428）采用多孔泡沫镍为模板,甲烷作为石墨烯前驱体，通过化学气相沉积法（CVD法制备），除去模板制得石墨烯基多孔炭材料。该制备工艺能耗高，且最终产品的孔径大部分集中在100到300微米（100-300 μm） 之间，相对较窄（特大孔区）。Zhang等(Sci.Rep. 2013, 13, 1408-1417）采用氧化石墨烯（hummers法制备）与含碳聚合物复合，经水热180℃炭化，800℃活化中间产物，得到石墨烯基多级孔炭材料。尽管该工艺得到的产品孔隙率高，比表面积大，表现出优异的电化学性能，但同样存在能耗高，而且氧化石墨烯作为原料，难以规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低，工艺设备简单，孔隙率发达，可规模化生产的石墨烯基多级孔炭材料及其制备方法和应用。

一种直接采用石墨烯与纤维素为原料，经复合、热处理（炭化、活化）、洗涤、干燥得到石墨烯基多级孔炭材料被研发成功。该类材料中原料纤维素廉价、丰富易得，而石墨烯直接由石墨通过电化学剥离法制得。同时，在制备工艺上较传统工艺，设备简单，复合条件温和，能耗低，因此该工艺路线有望成为工业化制备石墨烯基多级孔炭材料的有效途径。

第一，发明了一种石墨烯基多级孔炭新材料，该材料具有石墨烯、微米级的大孔、中孔和微孔结构的炭材料，并且孔表面被含氧基团功能化，具有易浸润电解液的特性。第二，本发明采用丰富、可再生的生物质纤维素为主要原料，同时采用自己近期发明的电化学剥离石墨制备石墨烯为重要原料，并采用超声、搅拌，避免石墨烯重叠团聚，使得石墨烯与纤维素混合均匀。再次，获得高导热性能的石墨烯/纤维素复合材料，导热率可达3000 瓦/米·摄氏度（3000 W/m·K）以上。第三，低温烧结（小于700摄氏度）制备成石墨烯基多级孔碳材料，无牺牲模板制备出微米级的大孔以及纳米级中孔和微孔，比表面积可达1500平米/克（1500 m²/g）以上；另外在热处理活化过程中，石墨烯的结构没有被破坏，这一点与氧化还原法（Hummers）法制备的石墨烯在活化中转化为活性炭显著不同，所得的新材料具有石墨烯，而且活性炭原位生长在石墨烯上。