[发明专利]一种超小亚纳米孔多孔石墨烯的制备方法

说明书

本发明提供了一种超小亚纳米孔多孔石墨烯的制备方法，将氧化石墨烯粉末和羰基金属分别分散成分散液，混合，进行第一次溶剂热反应，制得金属氧化物纳米点负载石墨烯材料；将金属氧化物纳米点负载石墨烯置于通入高纯氩气保护气的环境中，进行退火，冷却后洗掉，烘干，制得超小亚纳米孔多孔石墨烯。该制备方法可实现石墨烯表面小于1纳米孔的刻蚀，及在纳米尺度调控孔径尺寸，保证孔径的均一性。超小金属氧化物的均一负载保证了刻孔的均一性，纳米颗粒的孔径可直接调控刻孔的大小。与普通的石墨烯刻孔方法相比，本发明孔径更小，粒径控制更加精准、均匀，并且制备方法简单，大大提高了孔径的控制精度，易于工业化应用。

技术领域

本发明属于多孔石墨烯材料制备技术领域，涉及一种超小亚纳米孔多孔石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以SP₂杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯。石墨烯是可以做到单层碳原子二维排列，石墨烯蜂巢晶格常牢固坚硬，室温下，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、太阳能电池，在半导体物理、催化等方面有重要应用价值。石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料。由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。但是石墨烯是一种片状的二维材料，在使用石墨烯的过程中，往往涉及到物质的传递和扩散，例如电解质的扩散、载流子的传递、气体的扩散。因为二维片状材料的堆叠，使用过程中不利于物质传递，严重影响石墨烯性能的发挥。此外石墨烯中的电子在层间传递速度快，但是电子从石墨烯注入到电解质或其他吸附的物质上时比较困难。

原始石墨烯或化学修饰的石墨烯片易于通过π-π堆积相互作用和范德华力彼此重叠形成不可逆的团聚体，导致其性质降低，包括严重降低的比表面积和低得多的质量扩散速率。此外，石墨烯片制造最终产品时，需要额外的处理或者添加剂，这可能进一步降低石墨烯的整体性能。具有高比表面积和设计孔隙率的可加工石墨烯及其大块材料的可扩展制备对于许多实际应用而言至关重要。多孔石墨烯，是石墨烯的结构衍生物，是指在石墨烯的二维平面内具有纳米级孔洞的材料。多孔石墨烯片层内独特的纳米孔结构，使其具有更高的比表面积；另外，纳米孔的存在有利于物质在多孔石墨烯各个方向上传输，促进碳层在液相体系中与其他物质充分接触。多孔石墨烯优异的特性使其在能源储存与转换材料（锂离子电池、超级电容器等）、生物传感、水污染处理及水污染检测等领域具有巨大的应用潜力。发展简单、经济、可控的多孔石墨烯宏量制备方法对其应用非常关键。目前多孔石墨烯的制备方法主要有模板法、离子束轰击法和化学溶液刻蚀，但是用上述方法制备多孔石墨烯时，通常难以控制孔径，也很难实现批量生产。以化学溶液刻蚀为例，是通过一种方便的温和缺陷-刻蚀反应来制备表面具有丰富平面纳米孔的多孔石墨烯。一般是在搅拌条件下加热氧化石墨烯和刻蚀氧化剂制备。但是，刻蚀材料与氧化石墨烯反应，刻蚀过程不易控制，容易产生很多碎片，制备的多孔石墨烯的表面孔的大小、数目不能控制。因此，迫切需要一种更加有效、纯净、量产且能够高精度控制孔径的制备多孔石墨烯的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更加有效、纯净、量产的超小亚纳米孔多孔石墨烯的制备方法，且采用该方法制备多孔石墨烯时，能够高精度控制孔径。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超小亚纳米孔多孔石墨烯的制备方法，具体为：