[发明专利]一种超薄片层还原氧化石墨烯及其合成方法

说明书

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种超薄片层还原氧化石墨烯及其合成方法。将天然石墨与硝酸钠、高锰酸钾依次经低温反应、中温反应和高温反应后得到氧化石墨分散液；将分散液过滤后用稀盐酸洗涤、离心、干燥后得到氧化石墨；再得到的氧化石墨分散于水中、超声、离心制备氧化石墨烯分散体；最后经冷冻干燥、还原得到超薄片层还原氧化石墨烯。本发明的超薄片层还原氧化石墨烯具有较高的比表面积和较大的层间间距，可以保证锂离子插入/脱出通道的平滑，提供了更多暴露的离子吸附/脱附的活性位点，以及相互连接的三维开放式纳米薄片，为外部电路提供了优越的电荷转移通道，有利于提高电极材料的动力学性能和电化学性能。

技术领域：

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种超薄片层还原氧化石墨烯及其合成方法。

背景技术：

由于石墨烯层间的范德华力较强，单层石墨烯片往往会发生不可逆的聚集，降低电极中石墨烯表面积的利用率。因此，在构建功能石墨烯宏观结构时，防止石墨烯薄片在宏观结构中重新聚集非常关键。目前，通常采用模板辅助生长、电化学剥离等手段来为防止石墨烯纳米片的聚集。这些工作在超级电容器正极的吸附/脱附能力方面取得了很大的进展，但由于还原氧化还原石墨烯(rGO)的层间距较窄，导致其在锂离子电池负极中锂的插入/脱出电化学活性还远远不能满足锂离子电池的应用，从而导致了缓慢的离子输送动力学。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是目前通常采用模板辅助生长、电化学剥离等手段来为防止石墨烯纳米片的聚集；这些工作在超级电容器正极的吸附/脱附能力方面取得了很大的进展，但由于还原氧化还原石墨烯(rGO)的层间距较窄，导致其在锂离子电池负极中锂的插入/脱出电化学活性还远远不能满足锂离子电池的应用，从而导致了缓慢的离子输送动力学。

为解决上述问题，本发明以石墨粉为原料，利用热膨胀原理合成超薄片层还原氧化石墨烯；这种超薄片层还原氧化石墨烯具有较高的比表面积和较大的层间间距，较大的层间间距可以保证锂离子插入/脱出通道的通畅，更大的比表面积和大量的介孔提供了更多暴露的离子吸附/脱附的活性位点，以及相互连接的三维开放式纳米薄片，为外部电路提供了优越的电荷转移通道，有利于提高电极材料的动力学性能，从而提高了电极材料的电化学性能。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种超薄片层还原氧化石墨烯的合成方法，将天然石墨与硝酸钠、高锰酸钾依次经低温反应、中温反应和高温反应后得到氧化石墨分散液；将分散液过滤后用稀盐酸洗涤、离心、干燥后得到氧化石墨；再得到的氧化石墨分散于水中、超声、离心制备氧化石墨烯分散体；然后经冷冻干燥得到氧化石墨烯泡沫，最后经高温快速还原得到超薄片层还原氧化石墨烯。

进一步的，所述低温反应为在室温下，将30μm的颗粒状天然石墨2g、硝酸钠1g加入250mL三口瓶中冷却至0℃；再将50mL浓硫酸缓慢加入三口瓶中充分搅拌30min，并保持反应体系的温度不高于5℃；然后将0.3g高锰酸钾加入三口瓶中并充分搅拌30min，同时保持反应体系温度不高于10℃；在1h内，再将7g高锰酸钾分3批加入三口瓶中，保持反应体系温度不高于20℃。

进一步的，所述中温反应为低温反应后撤走冰浴，用水浴将反应体系加热至35+3℃，并充分搅拌2h，得到褐色悬浮液。

进一步的，所述高温反应为将90mL水缓慢滴加入褐色悬浮液中，体系温度骤然升高至90℃，并伴有大量气体生成，稀释的悬浮液在此温度下反应15min；然后向悬浮液中加入30％、7mL的H₂O₂与55mL、45℃的超纯水的混合溶液，得到亮黄色氧化石墨分散液。