[发明专利]纳米石墨海绵及其制造方法

说明书

本公开提供一种纳米石墨海绵(NGS)以及用于制备纳米石墨海绵的方法。本文公开的纳米石墨海绵具有多种优异性质，包括大的表面积和孔体积、低质量密度、良好的电导性和机械性质。这些优异性质使得纳米石墨海绵成为用于多种应用的理想材料，例如用于电池和超级电容器的电极、燃料电池和太阳能电池、催化剂和催化剂载体、以及传感器。

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2018年10月15日提交的美国临时专利申请序列号62/745,839的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及纳米石墨海绵(NGS)和用于从石墨烯增强的聚合物基质(G-PMC)制造纳米石墨海绵的方法。

背景技术

石墨烯是碳原子的二维(2D)单层，由于其出色的特性，例如高电导率、高导热率、非凡的弹性和刚度等，而备受关注。在许多实际应用中，例如电子设备、电磁屏蔽和热管理，非常需要具有高电导率和导热率的基于石墨烯的聚合物复合材料。

然而，基于石墨烯的聚合物复合材料的应用受到以下方面的限制：(1)由于石墨烯在聚合物基质中的高比表面积和石墨烯片之间强的分子间相互作用，其分散性较差；(2)在低填料含量下，石墨烯片被聚合物链覆盖，防止了石墨烯片在复合材料中达到渗透极限。需要石墨烯片的良好分散性和高填料含量才能在聚合物基质中形成导电互连网络以提高复合材料的电导率，因为这些复合材料的电导率和导热率极大地取决于电子和声子在各个填料颗粒之间的渗透。

为了实现石墨烯在聚合物基质中的更好分散，已经研究了诸如分子官能化的策略。但是，分子官能化在改善分散性的同时，会损坏石墨烯片的电子共轭，从而损害复合材料的导电性。尽管改善了均匀分布，但这些复合材料的电导率仍远低于期望水平。此外，由于严重的聚集和不良的界面结合，高载量的填料通常会妨碍复合材料的加工性能和整体性能。

3D、紧密互连的石墨烯网络(例如，纳米石墨海绵(NGS))的构造可以显著提高聚合物复合材料的电导率和导热率。已经提出了一些制备NGS的方法，例如自组装策略，包括一步水热法、化学还原诱导法和金属离子诱导法。然而，在组装过程中石墨烯片的重新堆叠和聚集仍然是一个严重的问题。因此，制造具有理想的石墨烯3D网络的NGS仍然是一个挑战。

因此，迫切需要一种容易、低成本和可放大的方法来制造纳米石墨海绵(NGS)。

发明内容

本公开提供了新颖的纳米石墨海绵(NGS)和用于制造NGS的方法。NGS可包括选自石墨微粒、单层石墨烯纳米颗粒、多层石墨烯纳米颗粒及其两种或更多种的组合的颗粒。颗粒可包括机械剥离的单层和/或多层石墨烯纳米颗粒。在一些实施方案中，单层和/或多层石墨烯纳米颗粒沿c轴方向的厚度为小于50nm。在一些实施方案中，颗粒可以占海绵总重量的至少50％。在一些实施方案中，NGS进一步包括碳颗粒。在一些实施方案中，NGS还包括热塑性聚合物。

本文公开的NGS可以具有包括多个开孔的开孔结构。开孔可以具有各种形状、大小和尺寸。在一些实施方案中，开孔的平均孔径为约1nm至约5mm。所述开孔可以包括包封在开孔内的另外的元素。另外的元素的实例可包括Li、S、Si、Na、及其两种或更多种的组合。NGS可包括其他盐(例如，金属盐)，例如锂盐(例如，LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiOH、Li₂CO₃、LiCl、Li₂SO₄、HCOOLi、CH₃COOLi、Li₃(C₆H₅O₇)、(COOLi)₂、Li₂S、Li₂S₂)等。