[发明专利]一种以矿石为模板的石墨烯泡沫及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种以矿石为模板的石墨烯泡沫及其制备方法和应用。本发明采用化学气相沉积法在煅烧后的矿石模板上催化裂解碳前驱体气体，形成连续的三维石墨烯宏观体，后续刻蚀掉模板，得到高孔隙率三维石墨烯泡沫。本发明以富足的矿石原料为模板制备石墨烯泡沫的方法，具有原料富足、操作简单、模板易去除、结构易于调控、所得石墨烯泡沫孔隙率高、孔径分布多层次的特点。该石墨烯泡沫是具有优异导电/导热性的二维石墨烯通过无缝连接而形成的具有高孔隙率的三维空间网络结构的石墨烯宏观体，具有低密度、高比表面积、和优异导热/导电性的优点，为石墨烯的应用奠定了基础。

技术领域

本发明涉及石墨烯泡沫的制备方法领域，特别涉及一种以矿石为模板的石墨烯泡沫及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化的碳原子以正六边形为周期组成的单层碳原子平面二维的新材料。自从2004年被发现以来，由于其优异的导热、导电、力学性能，而受到了人们广泛的关注在微纳电子器件、催化、能源管理、航空力学材料等方面具有重要应用价值。

三维结构是自然界最普遍最常见的存在形式，三维石墨烯宏观块体是决定石墨烯宏观运用的基础与关键。如何将具有优异物理化学性能的二维石墨烯材料组装为宏观的三维结构是推动石墨烯应用的重要方面。相比二维薄膜，三维石墨烯泡沫具有大量的孔隙结构、密度小、高比表面积、高导电导热等方面优势，使得其在油水分离、催化、储能、热交换、电子器件等宏观应用方面具有很大优势。目前制备石墨烯泡沫的常见方法包括氧化石墨烯的自组装及模板化学气相沉积法。其中氧化石墨烯自组装法存在的问题包括过程较为繁琐，制备氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的过程中可能会产生对环境有害的副产物，另外石墨烯的缺陷及石墨烯泡沫中的杂质也会进一步地破化其优异的导热/导电性能。

而模板法化学气相沉积被证实为一种生产高质量石墨烯泡沫的方法，由于通过非金属的矿石长石墨烯的质量不高，且一般都是粉末状的石墨烯，因此目前主要还是以镍泡沫为模板。但是使用金属泡沫为模板生产石墨烯泡沫同样也存在后期刻蚀金属泡沫较难、金属残留等方面的问题，限制了石墨烯泡沫的量产。

发明内容

本发明提供了一种石墨烯泡沫的量产化制备方法，该方法过程简单可控，可供选择的模板成本低、原料丰富、后期容易去除，可实现高孔隙率三维石墨烯泡沫的批量化制备。

本发明提供的石墨烯泡沫的制备方法，采用化学气相沉积法在煅烧后的矿石模板上催化裂解碳前驱体气体，形成连续的三维石墨烯宏观体，后续刻蚀掉模板，得到多层次孔径、高孔隙率三维石墨烯泡沫。具体步骤包括：

(1)在载气氛围中高温煅烧矿石，得到高孔隙率三维矿石模板；

(2)采用化学气相沉积法，引入碳前驱体，在煅烧后的三维矿石模板上催化裂解碳前驱体，生成石墨烯的三维网络；

(3)通过刻蚀去除煅烧后的三维矿石模板，得到石墨烯泡沫。

所述步骤(1)中，所述矿石包括但不限于碳酸盐类、硝酸盐类、硫酸盐类等能在高温下煅烧分解产生气体的酸根盐类矿石，优选含氧酸根盐类矿石，进一步优选硫酸根盐类矿石、硝酸根类矿石；例如方解石(冰洲石)、白云石、菱镁矿、孔雀石、菱铁矿、菱锌矿、白铅矿、蓝铜矿等。

所述步骤(1)中，所述载气为氢气或者惰性气体(例如，氩气、氮气、氦气)或者他们之间的混合气。优选氩气与氢气以10:1sccm混合。

所述步骤(1)中，所述高温煅烧的温度为200-1000℃，升温速率为0.5-200℃/分钟，煅烧时间为5-2400分钟。具体工艺参数将根据不同矿石做相适应的调整，如对于硫酸根盐类矿石煅烧温度为500-1500℃，升温速率为0.5-200℃/分钟，煅烧时间为5-2400分钟；对于硝酸根类矿石煅烧温度为100-1000℃，升温速率为0.5-200℃/分钟，煅烧时间为5-2400分钟。研究发现，升温速度、煅烧时间将影响石墨烯泡沫的孔隙率大小，因此通过调整煅烧工艺参数实现不同性能的产品。