本發(fā)明屬于納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蜂窩狀三維石墨烯的制備方法。

技術(shù)背景

石墨烯是一種新型的二維碳納米材料，由于它具有獨(dú)特的光學(xué)、熱學(xué)、電子和機(jī)械性能，近年來已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中最為炙手可熱的納米材料，被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、電池、催化、生物傳感器等眾多領(lǐng)域。但是由于石墨烯片層之間強(qiáng)烈的吸引力，導(dǎo)致固態(tài)的石墨烯由于聚集而失去了單分散石墨烯具有的高比表面積等優(yōu)異性能。為解決這一困擾，科研工作者們將每一片石墨烯連接在一起形成三維蜂窩狀骨架結(jié)構(gòu)，則可使固態(tài)石墨烯展現(xiàn)出與單片石墨烯相似的優(yōu)異性能。目前，三維石墨烯材料制備的一個(gè)主要難點(diǎn)是石墨烯片相互聚集，導(dǎo)致其密度很難達(dá)到最低，使其性能和應(yīng)用范圍受到很大的限制。化學(xué)氣相沉積法（cvd）和水熱法是制備三維石墨烯的常用方法，cvd法生長條件苛刻，難以實(shí)現(xiàn)三維石墨烯的大批量生產(chǎn)；高溫水熱法制備三維石墨烯雖然具有較多的孔結(jié)構(gòu)，但制備過程復(fù)雜，不適合于工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺點(diǎn)，采用一鍋制備法，不經(jīng)中間體的分離，直接獲得蜂窩狀三維石墨烯，具體的技術(shù)方案包括以下步聚：

（1）以天然鱗片石墨為原料，將其緩慢加入濃硫酸中，再加入硝酸鈉和高錳酸鉀的混合物，恒溫反應(yīng)2h；向混合液中加入去離子水和h2o2，趁熱過濾。天然石墨在此過程中氧化為氧化石墨。

（2）將氧化石墨與聚苯乙烯微球制備液超聲混合，70℃下反應(yīng)10h，形成氧化石墨烯包裹的聚苯乙烯微球模板。聚苯乙烯微球制備液為無水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮、tritonx-100（乳化劑）、苯乙烯、偶氮二異戊腈。

（3）向混合液中加入氨水和水合肼，將氧化石墨烯還原為石墨烯，得到石墨烯包裹的聚苯乙烯微球。

（4）再向混合液中加入氫氧化鉀和甲苯，去除聚苯乙烯微球，得到三維石墨烯結(jié)構(gòu)。

（5）最后將得到的三維石墨烯在80℃下真空干燥12h,500℃高溫煅燒2h，得到蜂窩狀的三維石墨烯。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

（1）本發(fā)明采用一鍋法制備三維石墨烯，工藝操作簡單、成本低廉，有望實(shí)現(xiàn)三維石墨烯材料的大規(guī)模生產(chǎn)。

（2）本發(fā)明方法通過高溫活化處理，解決了化學(xué)還原過程中引入的有毒化學(xué)試劑和石墨烯團(tuán)聚問題，且煅燒后的蜂窩狀三維石墨烯結(jié)構(gòu)更加牢固穩(wěn)定。

（3）本發(fā)明方法制備的多孔三維石墨烯具有導(dǎo)電率高、比表面積大、孔隙率高及密度低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料、吸附材料、化學(xué)生物傳感等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備蜂窩狀三維石墨烯的流程圖；

圖2為實(shí)施例2中得到的氧化石墨烯包裹聚苯乙烯微球模板的sem圖；

圖3為實(shí)施例3中得到的蜂窩狀三維石墨烯在放大5000倍數(shù)下的sem圖；

圖4為實(shí)施例3中得到的蜂窩狀三維石墨烯在放大10萬倍數(shù)下的sem圖；

圖5為實(shí)施例3中得到的蜂窩狀三維石墨烯的xrd圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，但是所述實(shí)施例的說明，僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，其中大部分并不僅限于此。

實(shí)施例1

1.以天然鱗片石墨為原料制備氧化石墨

本發(fā)明采用一鍋法制備蜂窩狀三維石墨烯的工藝流程圖如圖1所示，其中制備氧化石墨的具體步聚為：

稱取5g天然鱗片石墨加入115ml濃硫酸中，攪拌均勻后緩慢加入2.5g硝酸鈉和15g高錳酸鉀的混合物，0℃反應(yīng)2h。升溫至35℃恒溫30min，緩慢滴加230ml的超純水；繼續(xù)升溫至98℃反應(yīng)15min后，加入700ml溫水和200ml5%的h2o2，趁熱過濾。濾餅用5%的hcl（v/v）充分洗滌，直至濾液中無so4²（用bacl2溶液檢測(cè))。產(chǎn)物在50℃下真空干燥24h，得到氧化石墨。

實(shí)施例2

2.氧化石墨烯包裹聚苯乙烯微球模板的制備

取25ml無水乙醇、1g聚乙烯吡咯烷酮、0.4gtritonx-100（乳化劑）、7ml苯乙烯、0.25g偶氮二異戊腈和0.2g氧化石墨，超聲分散。70℃下通氮?dú)鈹嚢?h，使氧化石墨片完全剝離及聚苯乙烯微球生長液均勻的覆蓋在氧化石墨表面形成聚苯乙烯微球“種球”。然后再加入通氮?dú)獾?0℃熱生長液（25ml乙醇、7ml苯乙烯、0.125g二甲基丙烯酸乙二醇酯），70℃恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)10h，得到氧化石墨烯包裹聚苯乙烯微球模板的混合液。

實(shí)施例2得到的氧化石墨烯包裹聚苯乙烯微球模板的sem如圖2所示，由圖可知，聚苯乙烯微球均勻地分散在氧化石墨烯表面。

實(shí)施例3

3.蜂窩狀三維石墨烯的制備

將實(shí)施例2得到的氧化石墨烯包裹聚苯乙烯微球模板混合液超聲分散，分別加入2.8ml（v/v，28%）氨水和0.4ml（v/v，35%）水合肼。將該混合溶液在95℃水浴中攪拌回流1h，產(chǎn)品經(jīng)過濾、水洗、醇洗。然后在6mkoh中超聲刻蝕12h，水洗至中性，加入甲苯去除聚苯乙烯微球，經(jīng)分液漏斗分離得到三維石墨烯。得到的三維石墨烯在80℃下真空干燥12h，再置于通氮?dú)夤苁綘t中500℃煅燒2h，得到深度還原與剝離的蜂窩狀三維石墨烯。

實(shí)施例3得到的蜂窩狀三維石墨烯在不同放大倍數(shù)下的sem如圖3和圖4所示，由圖可知，本發(fā)明制備的三維石墨烯具有明顯的復(fù)雜三維多孔結(jié)構(gòu)，且孔徑大小均勻。圖5為本發(fā)明的制備的蜂窩狀三維石墨烯的xrd表征，由圖可知，所制得的三維石墨烯為高度還原石墨化產(chǎn)物。

以上實(shí)施例為本發(fā)明的核心實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蜂窩狀三維石墨烯的制備方法。該發(fā)明的技術(shù)方案是：以天然鱗片石墨為原料，利用Hummers法制備氧化石墨；將氧化石墨與聚苯乙烯微球制備液超聲混合，進(jìn)行水熱反應(yīng)得到氧化石墨烯包裹的聚苯乙烯微球模板；在弱堿性條件下，利用水合肼將聚苯乙烯微球表面的氧化石墨烯還原為石墨烯；在強(qiáng)堿性條件下，利用甲苯去除聚苯乙烯微球模板，得到三維石墨烯結(jié)構(gòu)；最后經(jīng)高溫活化處理，得到蜂窩狀的三維石墨烯。本發(fā)明采用一鍋法制備三維石墨烯，操作簡單、成本低廉，制備的多孔三維石墨烯具有高比表面積、高導(dǎo)電率、強(qiáng)親水性等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電復(fù)合材料、電池、電化學(xué)傳感等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：張艷麗;劉紅軍;李海珍;龐鵬飛;王紅斌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：云南民族大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2016.03.08
技術(shù)公布日：2017.09.15