[发明专利]一种硅交联三维多孔石墨烯及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅交联三维多孔石墨烯及其制备方法，其包括有以下技术步骤：(1)配置0.01～1.0mg/mL氧化石墨烯溶液；(2)将金属钠溶于有机溶剂中配成钠珠，在油浴温度为100‑150℃下，用蠕动泵以10‑40rpm滴加速率，滴加步骤(1)配置好的氧化石墨烯溶液，反应结束后，离心分离，获得黑色固体，然后洗涤干燥获得三维多孔石墨烯。

技术领域

本发明属于石墨烯制备领域，具体是指一种硅交联三维多孔石墨烯及其制备方法。

背景技术

自2004年英国曼彻斯特大学的K.S.Novoselov和A.K.Geim等首次用简单的物理剥离法获得单层石墨烯以来，石墨烯的制备技术已有了长足的发展。但石墨烯在实际应用过程中存在易面/面聚集造成有效比表面积急剧降低和不易加工成型等难题，因此，非常有必要发展新型的三维多孔石墨烯材料及其可控合成技术，而把具有单原子层或数原子层厚度的石墨烯片组装成具有特定结构的三维体材料，对综合利用石墨烯众多的优异性质、实现其宏量应用具有极其重要的意义。

石墨烯是碳原子以sp²方式杂化的二维平面结构，这种杂化方式使得碳原子与相邻的三个碳原子通过σ键形成稳定的C-C键，这样的键合方式赋予石墨烯稳定的结构。然而，石墨烯自身是一个巨大的芳香共轭分子，由于其疏水结构且片层间很强的Π-Π相互作用和范德华力使其易于发生堆叠和团聚，而在绝大多数实际应用中，通常需要将石墨烯组装成宏观物体，石墨烯层间的团聚和堆叠会极大降低了石墨烯的有效面积，从而使其逐渐丧失了石墨烯原有的优异的物理性能。鉴于此，发展新型的三维多孔石墨烯材料及其可控合成技术，克服其团聚，对综合利用石墨烯众多的优异性质、实现其宏量应用具有极其重要的意义。

共价键或配位键会在水热或者化学还原氧化石墨烯层的过程中产生，但是合成氧化石墨烯水凝胶大部分一直是无序的孔结构。可能的原因是缺少合适的分子构建具体的空间配置。因此，构筑高度有序且具有卓越机械性能的的石墨烯组装体仍有存在很多挑战。

目前，三维多孔结构石墨烯材料的宏量制备策略主要有两种，一是化学气相沉积法(CVD法)，即通过高温裂解含碳原料在多孔金属模板衬底上沉积或外延生长出具有三维多孔结构的石墨烯材料。比如，最近沈阳金属所的成会明课题组采用金属镍泡沫为生长基底，利用CVD法大量地制备出了具有三维连通结构的泡沫状石墨烯材料。虽然这种方法极大地拓展了石墨烯的物性和应用空间。然而，虽然基于金属模板导向的CVD法能够宏量地制备高质量的三维多孔结构石墨烯材料，但该法制备的石墨烯材料的孔径分布主要位于亚微米至数微米范围，体比表面积较小，这在一定程度上影响了其储能等性能；同时CVD法不可避免地存在实验条件苛刻、成本高、工艺复杂且易由于金属基底的酸碱腐蚀去除造成环境污染等诸多缺点，这也大大地阻碍了该法的大规模产业化应用。

另一种宏量制备的策略就是溶液化学法，即首先利用氧化剂化学剥离石墨获得氧化石墨烯(GO)，然后结合化学或热还原法通过溶液组装或界面组装制备三维多孔石墨烯材料。该法具有原料来源广泛、成本低、产率高且易于放大等优点，被认为是低成本宏量制备石墨烯三维多孔材料的有效方法。

在三维多孔结构石墨烯材料的液相组装与机理研究方面，例如：

S.Mann课题组利用离子型聚合物作为导向模板，基于静电作用机理液相构筑了具有海绵状大孔支架结构和空心球形结构的石墨烯-聚合物纳米复合材料；

清华大学的石高全课题组运用金属离子/酸/小分子/聚合物/DNA等调控氧化石墨烯片/还原氧化石墨烯(GO/RGO)本身或者其表面吸附分子之间存在的相互作用如范德华力、静电力、π-π作用、金属离子的配位作用等，实现了GO/RGO片的三维自组装，可控构筑了多种具有亚微米至数微米大孔结构的多功能石墨烯基水凝胶；

清华大学的王训课题组则发现在水热反应条件下，贵金属纳米粒子(如Au、Pt、Pd、Ir等)可以促进石墨烯片组装合成三维宏观体材料；