[发明专利]一种三维石墨烯结构体/高质量石墨烯的制备方法

说明书

本发明提供了一种三维石墨烯结构体/高质量石墨烯的制备方法，将天然鳞片石墨或人造石墨进行插层处理，制得石墨层间化合物；将得到的石墨层间化合物在膨胀剂中进行膨胀处理，得到高比表面积三维石墨烯结构体。通过球磨、剪切、高速流体粉碎或者超声等处理，得到高质量单层和少层石墨烯分散液。本发明所得到的三维结构体具有超过1000 m²/g的比表面积，并且片层晶格结构保持完整。通过机械剥离得到的石墨烯晶格结构保持完好，具有优异的电学性能，薄膜体积电导率可达1000 S/cm以上。本发明制备的石墨烯材料可广泛应用于储能、复合材料、导电油墨、导电薄膜等领域。三维石墨烯结构体可直接作为高比表面积碳骨架使用，可与聚合物、金属氧化物、金属硫化物、氮化碳等各类材料复合，制备具有各种特殊功能性的复合材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及三维石墨烯结构体/高质量石墨烯的制备方法，具体为以氧化剂和酸为插层剂，得到石墨层间化合物；将所得的石墨层间化合物在膨胀剂中进行膨胀，得到三维石墨烯结构体；将所得三维结构体进行砂磨、球磨、剪切、超声和高速流体粉碎等物理机械作用，得到石墨烯分散液。

背景技术

碳元素由于其独特的电子结构，能通过不同的杂化方式形成种类繁多的物质。其中，以sp²杂化方式存在的各类碳纳米材料（包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等）由于优异的电学、力学、热学等性质，已成为材料领域的研究热点。为充分发挥碳材料的优势，开发出具有高比表面积的碳材料至关重要。高比表面积碳材料具有更多暴露的反应活性位点，丰富的空隙结构，能够提高碳材料在应用过程中的各种性能。例如，将高比表面积碳材料应用于超级电容器、锂离子电池等领域时，其单位体积或单位质量存储的电量相比块状碳材料具有显著优势。

自石墨烯在2004年采用黏胶带技术被成功制备以来，以石墨烯纳米片层为构造单元制备出三维石墨烯材料被各国研究者广泛研究。碳纳米片层能够减小离子在溶液中的扩散距离，经组装后具有丰富的空隙结构，在储能、催化等领域被广泛应用。以介孔硅、氧化钙等为模板剂，通过化学气相沉积的方法在模板剂孔洞中生长出石墨烯纳米片，将模板剂去除后，可得到三维高比表面积石墨烯材料。但这些方法成本高，路线冗长而难以工业化。氧化石墨烯是最为常见的制备三维高比表面积石墨烯材料的前驱体。氧化石墨烯由石墨为原料，经化学氧化后通过超声、剪切或震荡等方式分散在水或极性有机溶剂中。氧化石墨烯水溶液在一定浓度下，通过水热或化学还原组装，可以制得高比表面积的三维石墨烯结构体。此外，在氧化石墨烯溶液还原过程中不加搅拌等扰动，通过静置还原的方式，也可以制得此类三维结构体。然而，由氧化还原法得到的石墨烯材料片层上有较多的缺陷，降低的力学、电学和热学性能影响其实际应用，比如在储能材料中，循环稳定性会因此降低。因而，开发以碳纳米片层为构造单元的高比表面积、且晶格结构完整的石墨烯三维结构材料至关重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述困难，提供一种三维石墨烯结构体/高质量石墨烯的制备方法。本发明方法制备的石墨烯三维结构体具有超过1000 m²/g的高比表面积，高于以氧化石墨烯为原料组装得到的三维石墨烯结构体，并且石墨烯晶格结构完整，保留了碳材料优异的物理化学性质。将制备的三维结构体进行砂磨、球磨、剪切、高速流体粉碎或超声等机械处理，可形成稳定的石墨烯分散液。本发明制备的石墨烯材料能应用于储能、催化、复合材料等领域，具有操作流程简单、成本低、可控性好等优势，适合大规模生产和工业化应用。

本发明提出的一种三维石墨烯结构体/高质量石墨烯的制备方法，具体步骤如下：

（1）将原料石墨在插层剂中进行插层处理，使插层剂进入石墨层间，制得石墨层间化合物；

（2）将步骤（1）得到的石墨层间化合物投入到膨胀剂中，搅拌十五分钟后静置1-48h，使膨胀剂充分进入石墨层间，并在层间分解放出气体，增大石墨烯的层间距，使得石墨烯片层彼此分离，形成具有超高比表面积的三维石墨烯结构体；