[发明专利]石墨烯自组装粉及其制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯自组装粉及其制备方法，属于石墨烯应用技术领域。该石墨烯自组装粉的制备方法包括：将氧化石墨烯分散在水中，得到浓度为0.1‑1mg/mL的氧化石墨烯分散液；将氧化石墨烯分散液与还原剂混合，再与氮源物质或硫源物质混合，得到混合分散液；将混合分散液于80‑200℃下密封反应0.1‑1h后，分离、洗涤并冷冻干燥所得产物。这种石墨烯自组装粉的颗粒尺寸为微米级，有多孔的微观三维立体结构，而且其还原程度不高。用于制备石墨烯复合材料时，这种石墨烯自组装粉比石墨烯凝胶(粉)更容易实现均匀的高担载量的复合。

技术领域

本发明涉及石墨烯应用技术领域，特别涉及一种石墨烯自组装粉及其制备方法。

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二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快。随着产品质量和应用技术的持续进步，石墨烯不可替代的应用价值会逐渐展现出来。

多孔石墨烯材料由于它的多孔结构与石墨烯的固有特性引起了人们极大的研究兴趣。多孔石墨烯的制备和应用已成为石墨烯材料研究领域的一个重要方向。较大的可接触面积和多样的孔道，使多孔石墨烯材料在某些电化学装置(超级电容器和锂离子电池等)、传感器、气体分离/存储、光催化等方面具有突出的应用性能。从成分来讲，多孔石墨烯材料包括全碳型多孔石墨烯、掺杂型多孔石墨烯和多孔石墨烯复合材料。从外观形态来讲，目前研究最多的多孔石墨烯材料主要包括体形材料--石墨烯凝胶和石墨烯薄膜。石墨烯凝胶也叫石墨烯海绵或者石墨烯泡沫，包括石墨烯气凝胶和石墨烯水凝胶。

多孔石墨烯材料的制备方法分为自下而上和自上而下两种方法。自下而上的方法是指将单体聚合得到多孔石墨烯；而自上而下的方法是指将石墨烯开孔制备得到多孔石墨烯。自组装法是一种主要的自下而上法，将二维石墨烯片自组装得到三维网状交联的宏观材料。自组装法的原料是氧化石墨烯。氧化石墨烯是一种兼具亲/疏水独特结构的二维双亲材料，亲水结构包括羟基、羧基和环氧基等基团，碳碳双键相互连接形成的共轭结构为疏水段。正是由于这种特殊的双亲结构，在水溶液中，羧基电离后使得氧化石墨烯片层带负电荷，片层间存在静电排斥作用，而共轭结构的存在使得片层间存在范德华力，作用力平衡下的氧化石墨烯纳米片得以在水溶液中均匀分散。若在外界作用下，这种平衡被打破，含氧官能团被还原，则石墨烯恢复部分共轭域，范德华力和π－π堆叠占主导作用，使得片层间相互交联堆积得到多孔的网状结构。水热还原自组装和化学还原自组装都是常用的自组装方法。

目前，石墨烯凝胶用作电化学材料得到了广泛关注和研究。作为超级电容器电极材料，石墨烯凝胶呈现了优异的循环稳定性，但同时也存在比容量较低，倍率性能也不够好的问题。由于石墨烯凝胶为宏观尺寸材料，其外观尺寸一般至少是厘米级的，这样就存在结构引起的一些弊端。一是导电性问题：石墨烯凝胶的单体是还原氧化石墨烯片，虽然还原氧化石墨烯是导电的，但是经历了先氧化后还原的处理过程后其导电性跟原材料石墨相比要更低；另外，还原氧化石墨烯片之间的接触电阻会导致石墨烯凝胶的导电性较差。石墨烯凝胶另一个弊端是：不易用复合法提高其比容量。这是因为，一方面，石墨烯凝胶外观尺寸是厘米级的，其微观孔道一般都是几微米的，复合过程的物质传递通道不够畅通，另一方面，在已有技术的自组装过程中，无论是水热法还是化学还原法，原料氧化石墨烯的氧化基团基本都被还原了，复合缺乏可以借助的活性位点。

鉴于此，本发明提供一种石墨烯自组装粉及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯自组装粉及其制备方法，这种石墨烯自组装粉的颗粒尺寸为微米级，有多孔的微观三维立体结构，而且其还原程度不高。用于制备石墨烯复合材料时，这种石墨烯自组装粉比石墨烯凝胶(粉)更容易实现均匀的高担载量的复合。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：