[发明专利]石墨烯基三维宏观体及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯基三维宏观体及其制备方法与应用。

背景技术

作为一种新型的二维碳质材料，石墨烯具有优异的电学、力学、热学、光学性质，自2004年被发现以来，已引起广泛的关注和持续至今的研究热潮，在微电子器件、储能、催化、激光、传感器以及功能型复合材料等领域具有广阔的应用前景。从结构上分析，石墨烯是单原子层的石墨，即紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的sp²杂化单层碳原子晶体，不平整，有褶皱，是真正的二维晶体，被认为是构筑其它sp²碳质材料的基本结构单元。以石墨烯片层为基础结构的三维组装宏观体有望在利用石墨烯微米/纳米级尺寸的优异性质的同时衍生出宏观形态上新的优良性能，是实现石墨烯产业化应用的重要途径。

目前，已有多种方法构建石墨烯的三维宏观体，比如从氧化石墨烯出发，采用溶胶-凝胶法[MarcusA.Worsley,PeterJ.Pauzauskie,etal.SynthesisofGrapheneAerogelwithHighElectricalConductivity[J].J.Am.Chem.Soc.,2010,132(40),14067–14069.MarcusA.Worseley等，高导电性的石墨烯气凝胶的合成]、水热法[YuxiXu,GaoquanShi,etal.Self-AssembledGrapheneHydrogelviaaOne-StepHydrothermalProcess[J].ACSNano,2010,4,4324-4330.徐玉玺，石高全等，一步水热法制备自组装石墨烯水凝胶]、水煮法[WeiLv,Quan-HongYang,etal.One-PotSelf-AssemblyofThree-DimensionalGrapheneMacroassemblieswithPorousCoreandLayeredShell[J].J.Mater.Chem.,2011,21,12352-12357.吕伟，杨全红等，One-Pot自组装制备多孔核-层状壳结构三维石墨烯宏观体]等方法制备。通过上述方法形成石墨烯基凝胶体，再脱除其中的溶剂得到石墨烯基三维宏观体。另外，申请号为201010512207.9的中国专利，公开了一种石墨烯三维结构体材料及其制备方法，该石墨烯三维结构体材料的制备方法包括：（1）形成氧化石墨烯溶液并调节溶液pH值为8-11，然后在搅拌或超声条件下往该氧化石墨烯溶液中加入金属盐溶液（硝酸镍、高锰酸钾、乙酸锰、氯化铁、氯化亚铁、硝酸钴或硝酸锰溶液）形成混合溶液，而后再向该混合溶液中加入水合肼得到分散液；（2）将所述分散液干燥得到所述石墨烯三维结构体材料。其中，该石墨烯三维结构体材料由石墨烯基锰、镍、铁、或钴的氧化物构成。上述方法通过在石墨烯中引入上述金属的氧化物以使得该石墨烯三维结构体材达到具有良好导电性及强度，同时使得在将其作为电池负极材料或电容器材料时具有容量高、化学性能好的特性。

目前，根据对石墨烯基三维宏观体的具体需求，脱除溶剂的方式通常分成低温烘干和冷冻干燥。低温烘干通常是在正常大气压、且温度小于100℃的条件下进行，经过该方式得到的石墨烯基三维宏观体的体积仅为干燥前的1/10~1/20，未能保持干燥前石墨烯凝胶体的宏观结构，孔隙结构不够丰富；而经过冷冻干燥得到的石墨烯基三维宏观体可以保持干燥前石墨烯凝胶体的宏观结构，但冷冻干燥通常要降温到-50℃甚至更低才能完成，所需时间也较长，一般是24h以上，该过程耗能多，操作较为复杂。

发明内容

鉴于上述情况，有必要提供一种工艺简单且能耗少的石墨烯基三维宏观体的制备方法，使石墨烯基三维宏观体能够保持干燥前石墨烯凝胶体的宏观结构，增加该石墨烯基三维宏观体的比表面积。

另外，还有必要提供一种由上述方法制备的石墨烯基三维宏观体及应用该方法制备的石墨烯基三维宏观体的电极材料。