[发明专利]一种轻质石墨烯碳泡沫的制备方法

说明书

本发明为一种轻质石墨烯碳泡沫的制备方法。该方法将鳞片石墨、膨胀石墨或可膨胀石墨与橡胶基体一同混炼，使石墨片层剥离、并逐步均匀分散到基体中，形成石墨烯、或氧化石墨烯复合橡胶块体；同时在橡胶基体剥离石墨的过程中，加入尿素等发泡材料颗粒，均匀混入石墨烯、或氧化石墨烯复合橡胶块体中；进而利用加热焙烧的方法，使复合橡胶块迅速膨胀，橡胶基体分解、碳化，形成轻质石墨烯碳泡沫材料。本发明制得的石墨烯碳泡沫的密度小于0.01g/cm³，且多为单层或少层石墨烯碳组成的泡沫，具有密度小、缺陷少、导热、导电性能好等优点。

技术领域

本发明涉及一种利用橡胶混炼剥离鳞片石墨的高温碳化制备石墨烯碳泡沫材料的方法，属于新型纳米材料制备领域。

背景技术

石墨烯是碳原子以sp²杂化轨道连接形成的六边形蜂窝结构的单层，及2-10层的少层碳原子构成的平面晶化薄膜。单层石墨烯的理论厚度仅为0.35nm，比表面积达2.63×10³m²/g，杨氏模量高达～1.0TPa，强度130GPa，为钢的100倍，是已知强度最高的材料。石墨烯的导热系数达～5000W/mK，透光率高达～97.7％，电子迁移率为2×10⁵cm²/vs。石墨烯独特的2D结构，优异的力学、电学、光学、热学、磁学性能，及其可以与金属、金属氧化物、金属化合物，有机高分子等实现多种形式的纳米复合，制成功能独特、性能优异的新材料。并在超级电容器、锂离子电池、燃料电池、质子交换膜燃料电池和太阳能电池等化学电源，光电子元器件、传感器、能量转换和储存材料，多相催化材料、高性能复合材料、环境功能材料、医用及生物材料等众多领域中，均展示出独特优势和极佳的应用前景。

石墨烯的制备可以分为自下而上的“构筑法”和自上而下的“剥离法”两类。构筑法是利用各种含碳的物质，在激光、微波、等离子体等高能作用下热解或催化反应，在基体表面沉积或析出碳原子，经诱导成核、生长、晶化或重排，形成单层，或几层厚度的石墨烯纳米片，该方法对设备要求高、工艺复杂，产量极低，仅能满足高科技领域的研发需求，难以大规模工业化应用。自上而下的“剥离法”是以鳞片石墨为原料，利用各种外力，在不同类型的介质中通过高速分散，或化学插层作用，增加石墨片层间的晶面间距，并借助超声波、微波、高压，甚至电极反应，使鳞片石墨的晶体沿解理面不断剥离，最终成为单层或少层石墨烯的制备方法。上述石墨烯的制备方法或工艺，不仅效率低、污染排放和处置困难，得到的石墨烯的品质和尺寸也受制备方法和工艺条件的限制，不仅影响石墨烯的制备成本和效率，还直接影响石墨烯的层数、直径，晶格缺陷的密度，边缘官能团的类型及表面性质等，影响到后续的应用和功能性的发挥，已成为制约石墨烯大规模应用的重要因素。