本發明專利技術涉及一種高孔隙率的功能石墨烯材料及其制備方法和用途。所述高孔隙率的功能石墨烯材料是由二維石墨烯片層作為基礎構筑單元形成的三維多孔網絡結構；其制備方法將二氧化碳與石墨烯氣凝膠或石墨烯/金屬雜化氣凝膠發生活化反應，一步法獲得；其用途包括將應用在有機蒸汽吸附的吸附劑、氣體吸附的吸附劑、超級電容器的電極、鋰離子電池或催化方面。本發明專利技術方法方便簡單，非常適合于在工業上進行大規模生產。按照本發明專利技術制備的功能石墨烯材料具有超大比表面積和孔容、分級多孔結構、高的有機蒸汽吸附量、優異的電化學性能以及良好的循環穩定性，從而可以將其應用在環境和能源等領域。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及石墨烯多孔材料及其制備方法和用途，特別涉及一種高孔隙率的功能石墨烯材料及其制備方法和用途。
技術介紹
在過去的幾十年中，科研人員制備出了大量的多孔固體材料，比如多孔二氧化硅、沸石、金屬有機框架以及微孔有機聚合物等。然而，在這些固體吸附劑中，許多人認為納米多孔碳是最有潛力的多孔材料，因為它具有高比表面積、優異的化學穩定性以及廉價易得等特性。自2004年以來，由sp2碳原子構成的單層石墨烯被認為是非常有意義的納米材料。它不僅具有高的電導率、良好的機械性能以及優異的化學穩定性，而且還擁有超高的比表面積。盡管單層石墨烯的理論比表面積可以達到2630m2g \但通常得到的石墨烯材料的比表面積卻遠低于這個數值。這些石墨烯材料的較低比表面積主要是由于其片層間的強聚集傾向造成的。因此，制備尚孔隙率的石墨稀材料具有重要的意義。由石墨稀構造的多孔材料比其它多孔碳材料有幾個明顯的優勢。第一石墨烯優異的化學穩定性和熱穩定性使所構造的多孔材料能夠經受苛刻的條件。第二，石墨烯片層的高機械強度可以提高所制備多孔材料的穩定性，從而阻礙多孔結構的塌陷。第三，所構造多孔材料的孔道便于電解液的快速擴散，同時，石墨烯優異的導電能力可以使其作為快速傳遞載荷的集流體。第四，含有大量含氧官能團的的石墨烯衍生物，比如，石墨烯氧化物和化學還原的石墨烯氧化物，可以作為基底材料與不同的有機或無機物種結合，這能夠提供一個合適的機會來構造石墨烯基多孔材料。上述優異的特性能夠使石墨烯基多孔材料在有機蒸汽吸附、氣體吸附、電化學電容、鋰離子電池以及催化等領域具有非常好的應用前景。目前，許多方法已經被用來制備石墨烯基多孔材料，比如交聯法、化學活化法、原位還原法以及模板誘導法。氣凝膠是一類擁有三維網絡結構的多孔固體材料，它們具有許多優異的物理化學特性，比如高比表面積、大孔容以及低密度等。自二氧化硅氣凝膠首次報道之后，不同類型具有較高孔隙率的氣凝膠也被相繼開發出來。由納米碳材料組成的碳質氣凝膠在電極材料、吸附以及催化等領域表現出了廣泛的應用。石墨烯氣凝膠材料近年來也引起了極大的關注。它具有高比表面積、大孔容、優異的導電性能、較好的機械性能以及低密度等優點。二氧化碳是一種常用的利用高溫活化法來制備多孔碳材料的活化劑。然而，到目前為止，還沒有關于通過石墨烯氣凝膠的二氧化碳活化法制備高孔隙率的功能石墨烯材料的報道。
技術實現思路
為了解決現有技術中存在的問題，本專利技術的目的在于提供一種高孔隙率的功能石墨烯材料及其制備方法和用途。本專利技術的功能石墨烯材料不僅具有石墨烯多孔材料的特性，而且表現出優異的有機蒸汽吸附和電化學性能。為達上述目的，本專利技術采用如下技術方案:—種高孔隙率的功能石墨稀材料，其是由二維石墨稀片層作為基礎構筑單元形成的三維多孔網絡結構。由于石墨烯具有高比表面積以及優異的導電性能，從而使得這種高孔隙率的功能石墨烯材料可以真正應用到有機蒸汽吸附以及超級電容器領域。作為優選，所述的功能石墨稀材料的比表面積為500-2300m2gΛ孔容為0.5-5.δαι^-1;進一步優選地，比表面積為 690-2080111?^孔容為 1.2-5.4cm3g_1；優選地，所述功能石墨稀材料的孔徑為0.2nm-20 μπι，孔隙率為85% -99% ;進一步優選地，孔徑為0.5nm-l μπι，孔隙率為90% -95% ；優選地，所述功能石墨稀材料的電導率為10_4-102s cnf1;進一步優選地，電導率為 10^-10? cnf1。本專利技術還提供上述高孔隙率的功能石墨烯材料的制備方法，該方法包括將二氧化碳與石墨烯氣凝膠或石墨烯/金屬雜化氣凝膠發生活化反應，一步法獲得高孔隙率的功能石墨稀材料。優選地，所述活化反應溫度為650-1000°C，進一步優選為750_950°C ；優選地，所述活化反應時間為l_20h，進一步優選為l_4h ;優選地，所述活化反應升溫速率為1_50°C min \進一步優選為1-10°C min S優選地，所述活化反應降溫速率為1_50°C min1;優選地，上述高孔隙率的功能石墨烯材料的制備方法，該方法包括先將石墨烯氣凝膠或石墨烯/金屬雜化氣凝膠在惰性氣氛中以1-50°C min 1的升溫速率升至650-1000°C，再將惰性氣氛切換為二氧化碳氣體，在二氧化碳氣氛中活化反應l_20h，然后以1-50°C min 1的降溫速率降至室溫(一般15_25°C )；優選地，所述惰性氣氛為氬氣或者氮氣；優選地，所述活化反應在管式爐中進行，進一步優選為在高溫管式爐中進行；即將石墨烯氣凝膠或石墨烯/金屬雜化氣凝膠放在通有二氧化碳氣體的管式爐/高溫管式爐中進行活化反應。上述高孔隙率的功能石墨稀材料的制備方法，其中，優選地，所述石墨稀氣凝膠或石墨烯/金屬雜化氣凝膠的制備方法包括以下步驟:(1)將石墨氧化物在水中超聲分散形成石墨烯氧化物水分散液；或者進一步向所述石墨烯氧化物水分散液中加入無機物，攪拌后得到均勻的石墨烯氧化物/無機物水分散液；所述無機物包括含鉑、金、或鈀等的可溶性無機物中的一種或幾種；(2)將步驟(1)所得石墨烯氧化物水分散液或石墨烯氧化物/無機物水分散液進行水熱反應，得到到均勻不流動的石墨烯水凝膠或石墨烯/金屬雜化水凝膠；(3)洗滌，得到石墨烯水凝膠或石墨烯/金屬雜化水凝膠；(4)干燥，得到所述石墨稀氣凝膠或石墨稀/金屬雜化氣凝膠。上述石墨稀氣凝膠或石墨稀/金屬雜化氣凝膠的制備方法，其中:步驟(1)中所述石墨氧化物或石墨烯氧化物可按現有技術方法進行制備。例如，中國專利申請號CN201210053921.5中公開的石墨氧化物或石墨烯氧化物的制備方法?；蛘?，所述石墨烯氧化物可以通過塊體石墨材料經過氧化過程來制備，例如:將天然的鱗片狀石墨原材料用濃硫酸與高錳酸鉀氧化剝離而獲得具有較好分散性的石墨烯氧化物水溶液，這是目前大量制備石墨烯氧化物的一種較好的方法。石墨烯氧化物表面的含有較多的羧基、環氧基和羥基等含氧官能團，從而使其具有很好的親水性，而且也可以利用這些含氧官能團對石墨烯氧化物進行修飾和進一步地功能化得到其衍生物(Geim AK，Novoselov KS.Nature Mater.2007，6:183-191 ;Zu，SZ，Han BH.J.Phys.Chem.C 2009，113:13651-13657 等)。優選地，所述石墨烯氧化物上具有含氧官能團，所述含氧官能團包括羧基。當然，所述含氧官能團還可以包括環氧基、羥基和醛基中的一種或多種。進一步優選地，所述石墨稀氧化物中羧基的含量為10_30wt% ；優選地，所述石墨烯氧化物中含氧官能團的重量百分數為10% -50%，進一步優選為20% -40%,例如，所述石墨烯氧化物中含氧官能團的重量百分數為30%。優選地，步驟(1)中所述超聲的功率為10-600W，超聲的頻率為20_200KHz ；優選地，步驟(1)中所述石墨烯氧化物水分散液中石墨烯氧化物的濃度為l-10mgml/ S優選地，步驟(1)中所述石墨稀氧化物與所述無機物的質量比為1:1-100:1 ；優選地，步驟(1)中所述無機物為六水合氯鉑酸、四氯金酸、氯化鈀中的一種或幾種；優選地，所述石墨烯氧化物/無機物水分散液中六水合氯鉑酸、四氯本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種高孔隙率的功能石墨烯材料，其特征在于，其是由二維石墨烯片層作為基礎構筑單元形成的三維多孔網絡結構。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：韓寶航，隋竹銀，
申請(專利權)人：國家納米科學中心，
類型：發明
國別省市：北京;11
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