[发明专利]二维多孔结构氧化石墨烯的可控制备方法

说明书

本发明公开了一种二维多孔结构氧化石墨烯的可控制备方法。该方法将过硫酸铵加入到氧化石墨烯分散液中，其中过硫酸铵与氧化石墨烯的质量比为5～11:1，加热回流，自然冷却至室温，得到二维多孔结构氧化石墨烯纳米材料。该方法得到的二维多孔结构氧化石墨烯，且其比表面积和孔体积相较于氧化石墨有显著增大；将得到的二维多孔结构氧化石墨烯还原得到多孔石墨烯，相较于由氧化石墨直接还原，其比电容提高了39.2‑87.6％，电导率提高7.67‑19.4％，倍率性能提高，可应用于超级电容器材料；该方法反应条件温和，不添加造孔剂、无需模板辅助，生产成本低，可工业化生产。

技术领域

本发明属于石墨烯的制备技术领域，具体涉及一种二维多孔结构氧化石墨烯制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子通过SP²杂化轨道组成的六角蜂窝状二维晶体平面结构，是构建零维富勒烯、一维纳米管和三维石墨的基本单元，其它维度碳材料的基础单元，其具有优良的性能，如高电子迁移率、高比表面积、良好的导热性、高强度和较高的杨氏模量等性能。其一般采用微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀法、氧化石墨还原法、碳纳米管切割法。

其中氧化石墨还原法被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一，其操作简单、制备成本低，可以大规模地制备出石墨烯，已成为石墨烯制备的有效途径。其具体操作过程是将氧化石墨经过超声处理后形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂将氧化石墨烯还原成石墨烯。

因此制备石墨烯的前准备是先制备出氧化石墨，氧化石墨烯是将石墨通过强氧化剂氧化，表面生成羟基、羧基等含氧官能团。将氧化石墨超声处理，由于超声的振荡作用，氧化石墨很容易分散成片层状结构，即得到氧化石墨烯。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物。与石墨烯相比，首先、表面含氧官能团增多使其性质更加活泼，可通过各种与含氧官能团的反应来改善自身性质，如原位生长、锚接异相材料来制备复合材料，从而克服单一材料的缺陷；其次、可以将氧化石墨进一步还原，制备石墨烯材料；最后、作为基本组装单元构建其它新型材料。因此，氧化石墨烯在新材料的制备方面具有重要作用。

二维多孔结构氧化石墨烯是在氧化石墨烯的二维空间中引入多孔结构，该变化可以增加氧化石墨烯表面的缺陷，诱导生长异相材料，也是制备多孔石墨烯材料的前驱体。应用于超级电容器电极材料时，电解质离子不仅在水平方向具有良好的离子传输性，且在垂直方向上的传输性能也得到有效改善，这种多孔化处理是改善在垂直方向离子传输性能的有效手段。同时，将多孔结构引入二维氧化石墨烯表面，结合二维纳米材料和多孔结构的优势，不仅有利于双电层电容的发挥，还可以增加一部分含氧官能团带来的法拉第赝电容，达到优化材料电化学性能的目的。

目前，现有技术公开的主要集中在石墨烯的制备方法，且制备方法主要为光刻技术、化学刻蚀法、模版法等。其中光刻技术的弊端在于成本较高、步骤复杂、产量少；化学刻蚀法主要有强碱活化法、强酸活化法以及金属催化氧化法，一方面对设备要求高且不环保，另一方面催化氧化试剂价格昂贵；模板法具有很大局限性，反应体系中模板剂种类的选择及在后处理步骤复杂。

例如专利201410826636.1《一种结构可控的三维石墨烯多孔材料制备方法》，公开了在惰性气体氛围下，将构建的三维多孔金属结构烧结后采用化学气相沉积法在其上生长石墨烯薄膜，腐蚀液回流溶解金属模板，得到三维石墨烯多孔材料；专利201510794125.0《一种多孔石墨烯微片的制备方法》公开了将石墨与氧化剂和插层剂混合并超声，经热处理后得到膨胀石墨产物，向其加入表面活性剂、造孔剂，并超声，最后进行高温处理后，得到多孔石墨烯微片；专利201310087293.7《一种多孔石墨烯的制备方法》公开了将插层石墨与极性溶剂混合后进行微波辐射处理，得到打孔的薄层石墨烯。

上述公开的文献都是关于石墨烯的的技术方法，关于制备二维多孔结构氧化石墨烯的报道则基本没有。

发明内容