[发明专利]腐殖酸衍生的传导性泡沫和装置

说明书

一种腐殖酸衍生的泡沫，其由多个孔和孔壁构成，其中所述孔壁含有单层或少层腐殖酸衍生的六方碳原子平面或片，所述少层六方碳原子平面或片具有2‑10层堆叠的六方碳原子平面，所述堆叠的六方碳原子平面具有如通过X射线衍射测量的从0.3354nm至0.40nm的平面间间距d？002#191，并且所述单层或少层六方碳原子平面含有按重量计0.01％至25％的非碳元素，并且其中所述腐殖酸选自氧化的腐殖酸、还原的腐殖酸、氟化的腐殖酸、氯化的腐殖酸、溴化的腐殖酸、碘化的腐殖酸、氢化的腐殖酸、氮化的腐殖酸、掺杂的腐殖酸、化学官能化的腐殖酸、或其组合。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月30日提交的美国专利申请号15/251,841和2016年8月30日提交的美国专利申请号15/251,849的优先权，这些专利申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及碳/石墨泡沫的领域，并且更具体地涉及一种新形式的衍生自腐殖酸的传导性泡沫，含有这种腐殖酸衍生的泡沫的装置，以及其生产方法。

背景技术

已知碳具有五种独特的晶体结构，包括金刚石、富勒烯(0-D纳米石墨材料)、碳纳米管或碳纳米纤维(1-D纳米石墨材料)、石墨烯(2-D纳米石墨材料)、和石墨(3-D石墨材料)。除了富勒烯以外，所有这些材料均可以制成泡沫结构。

碳纳米管(CNT)是指以单壁或多壁生长的管状结构。碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维(CNF)具有大约几纳米到几百纳米的直径。其纵向、空心结构赋予材料独特的机械、电学和化学特性。CNT或CNF是一维纳米碳或1-D纳米石墨材料。然而，CNT难以生产并且是极其昂贵的。此外，已知CNT难以在溶剂或水中分散并且难以与其他材料混合。这些特征已经严重限制了其应用范围。

单层石墨烯片由占据二维六方晶格的碳原子构成。多层石墨烯是由多于一个石墨烯平面构成的片晶。单独的单层石墨烯片和多层石墨烯片晶在本文中统称为纳米石墨烯片晶(NGP)或石墨烯材料。NGP包括原生石墨烯(基本上99％的碳原子)、轻微氧化的石墨烯(按重量计5％的氧)、和氧化石墨烯(按重量计≥5％的氧)。

已发现NGP具有一系列不寻常的物理、化学和机械特性。我们的研究小组最先发现石墨烯[B.Z.Jang和W.C.Huang,“Nano-scaled Graphene Plates[纳米级石墨烯板]”，2002年10月21提交的美国专利申请号10/274,473；现为美国专利号7,071,258(07/04/2006)]。先前，我们综述了生产NGP和NGP纳米复合材料的方法[Bor Z.Jang和A Zhamu,“Processingof Nano Graphene Platelets(NGPs)and NGP Nanocomposites:A Review[纳米石墨烯片晶(NGP)和NGP纳米复合材料的加工：综述]”,J.Materials Sci.[材料科学杂志]43(2008)5092-5101]。已遵循四种主要的现有技术方法来生产NGP。如下简要概述它们的优点和缺点：

方法1：氧化石墨烯(GO)的化学形成和还原

第一种方法(图1)需要用插层剂和氧化剂(例如，分别为浓硫酸和硝酸)处理天然石墨粉以获得石墨插层化合物(GIC)或实际上氧化石墨(GO)。[William S.Hummers,Jr.等人,Preparation of Graphitic Oxide[氧化石墨的制备],Journal of the AmericanChemical Society[美国化学会志],1958,第1339页]。在插层或氧化之前，石墨具有大约0.335nm的石墨烯平面间间距(L_d＝1/2d₀₀₂＝0.335nm)。在插层和氧化处理的情况下，石墨烯间间距增加到典型大于0.6nm的值。这是石墨材料在该化学路线过程中经历的第一膨胀阶段。然后使用热冲击暴露法或基于溶液的超声处理辅助的石墨烯层膨化(exfoliation)法使所得GIC或GO经受进一步膨胀(常常被称为膨化)。