CN102515151A

CN102515151A - 具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯及其制备方法

Info

Publication number: CN102515151A
Application number: CN2011104347050A
Authority: CN
Inventors: 范壮军; 魏彤; 闫俊; 刘洋
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明提供的是一种具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯及其制备方法。(1)将具有片层结构的多孔金属氧化物无机模板、碳的前驱体，加入到能溶解碳前驱体的有机溶剂中；(2)将步骤(1)的产物加热抽真空去除溶剂；(3)将步骤(2)所得产物于惰性气氛下在500～1000℃热处理30～400min；冷却后收集固体产物；(4)用稀酸处理固体产物将金属氧化物模板除去，即得具具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯材料。本发明的制备方法制备的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯材料，不仅在石墨烯片层分布直径大于2nm的孔洞，而且在石墨烯片层间具有柱状的支撑体，减小石墨烯片层间的传质阻力，在储能、储氢、催化、环保等领域具有广泛的应用的前景。

Description

具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料，本发明也涉及一种纳米材料的制备方法，属于材料科学领域。具体涉及一种具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯及其制备方法。

背景技术

石墨烯材料是由单层石墨组成的纳米级石墨材料，由于具有优异的导电性、导热性及力学性能，在纳米器件、导热、导电及储能领域有着巨大的潜在应用价值，石墨烯材料的理论比表面积高达2600m²/g，具有突出的导热性能(3000W/(m·K))和力学性能(1060GPa)，以及室温下高速的电子迁移率[15000cm²/(V·s)]。但是由于石墨烯片层间高的范德华力，使得其在制备过程中很容易团聚，导致其比表面积不能充分的利用。多孔石墨烯是在石墨烯的片层中通过物理或化学的方法制造一些具有纳米尺寸的孔洞，这种结构使得石墨烯在作为能源、催化或者吸附材料时，不仅具有很高的比表面积，同时还有很好的传质效应，充分发挥这种二维纳米片层材料的优势，目前关于多孔石墨烯的制备还少有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅在石墨烯片层分布直径大于2nm的孔洞，而且在石墨烯片层间具有柱状的支撑体，减小石墨烯片层间的传质阻力的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯。本发明的目的还在于提供一种具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯是由多孔石墨烯片层以及支撑在多孔石墨烯片层间的纳米碳柱组成；所述多孔石墨烯片层厚度小于10nm，多孔石墨烯片层上的孔径为2～10nm；所述纳米碳柱直径为2～10nm，高度为2～10nm。

本发明的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法包括如下步骤：

(1)将具有片层结构的多孔金属氧化物无机模板、碳的前驱体，加入到能溶解碳前驱体的有机溶剂中，混合均匀；

(2)将步骤(1)的产物加热抽真空去除溶剂；

(3)将步骤(2)所得产物于惰性气氛下在500～1000℃热处理30～400min；冷却后收集固体产物；

(4)用稀酸处理固体产物将金属氧化物模板除去，即得具具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯材料。

所述具有片层结构的多孔金属氧化物无机模板是碱土金属氧化物或过渡金属氧化物中的一种或两种以上的混合物。

所述碳的前驱体为聚合物、沥青、葡萄糖、蔗糖类能够高温碳化成碳的有机物其中的任意一种。

具有片层结构的多孔金属氧化物无机模板与碳的前驱体以及溶剂的重量比为1∶0.01～100∶10～1000。

所述热处理是通过感应加热、辐射热能、激光、红外、微波、等离子体或紫外线加热进行的热处理。

本发明的制备方法制备的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯材料，不仅在石墨烯片层分布直径大于2nm的孔洞，而且在石墨烯片层间具有柱状的支撑体，减小石墨烯片层间的传质阻力，这种特殊的结构可以使该材料在储能、储氢、催化、环保等领域具有广泛的应用的前景。

本发明所制备的具有层间柱状支撑的多孔石墨烯不仅比表面积高，导电性能优良，而且具有很低的片层间以及片层表面的传质阻力，使得该材料可以作为优良的电极材料、储能材料、催化材料以及吸附材料，因此具有广泛的应用前景，同时该材料，制备方法简单、原料易得、可以批量制备、容易实现工业化生产。

附图说明

图1a为本发明所述的具有层间柱状支撑结构的多孔石墨烯材料的示意图；

图1b为图1a的左视图；

图2为本发明实施例2所制备的多孔石墨烯材料的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1

将厚度为2nm，孔径为2nm的片层多孔MgO，与聚乙烯、甲苯以重量比1∶10∶100的比例均匀混合，抽真空去除溶剂后置于惰性气氛氮气中600℃热处理300min，冷却后，收集固体，置于稀盐酸中充分洗涤，过滤水洗至中性，烘干后既得具有层间柱状多孔石墨烯材料。

实施例2

将厚度为10nm，孔径为5nm的片层多孔MgO，与沥青、四氢呋喃以重量比1∶5∶50的比例均匀混合，抽真空去除溶剂后置于惰性气氛氮气中700℃热处理200min，冷却后，收集固体，置于稀盐酸中充分洗涤，过滤水洗至中性，烘干后既得具有层间柱状多孔石墨烯材料。

实施例3

将厚度为4nm，孔径为2nm的片层多孔MgO，与葡萄糖、N，N-2甲基甲酰胺以重量比1∶20∶500的比例均匀混合，抽真空去除溶剂后置于惰性气氛氮气中800℃热处理60min，冷却后，收集固体，置于稀盐酸中充分洗涤，过滤水洗至中性，烘干后既得具有层间柱状多孔石墨烯材料。

实施例4

将厚度为4nm，孔径为2nm的片层多孔MnO₂，与沥青、四氢呋喃以重量比1∶5∶50的比例均匀混合，抽真空去除溶剂后置于惰性气氛氮气中800℃热处理60min，冷却后，收集固体，置于稀盐酸中充分洗涤，过滤水洗至中性，烘干后既得具有层间柱状多孔石墨烯材料。

实施例5

将厚度为2nm，孔径为2nm的片层多孔NiO，与聚丙烯、甲苯以重量比1∶10∶100的比例均匀混合，抽真空去除溶剂后置于惰性气氛氮气中600℃热处理50min，冷却后，收集固体，置于稀盐酸中充分洗涤，过滤水洗至中性，烘干后既得具有层间柱状多孔石墨烯材料。

实施例6

将厚度为4nm，孔径为2nm的片层多孔Co₃O₄，与沥青、四氢呋喃以重量比1∶5∶50的比例均匀混合，抽真空去除溶剂后置于惰性气氛氮气中700℃热处理60min，冷却后，收集固体，置于稀盐酸中充分洗涤，过滤水洗至中性，烘干后既得具有层间柱状多孔石墨烯材料。

Claims

1.一种具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯，其特征是：是由多孔石墨烯片层以及支撑在多孔石墨烯片层间的纳米碳柱组成；所述多孔石墨烯片层厚度小于10nm，多孔石墨烯片层上的孔径为2～10nm；所述纳米碳柱直径为2～10nm，高度为2～10nm。

2.一种具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是包括如下步骤：

(2)将步骤(1)的产物加热抽真空去除溶剂；

3.根据权利要求2所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：所述具有片层结构的多孔金属氧化物无机模板是碱土金属氧化物或过渡金属氧化物中的一种或两种以上的混合物。

4.根据权利要求2或3所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：所述碳的前驱体为聚合物、沥青、葡萄糖、蔗糖中的任意一种。

5.根据权利要求2或3所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：具有片层结构的多孔金属氧化物无机模板与碳的前驱体以及溶剂的重量比为1∶0.01～100∶10～1000。

6.根据权利要求4所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：具有片层结构的多孔金属氧化物无机模板与碳的前驱体以及溶剂的重量比为1∶0.01～100∶10～1000。

7.根据权利要求2或3所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：所述热处理是通过感应加热、辐射热能、激光、红外、微波、等离子体或紫外线加热进行的热处理。

8.根据权利要求4所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：所述热处理是通过感应加热、辐射热能、激光、红外、微波、等离子体或紫外线加热进行的热处理。

9.根据权利要求5所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：所述热处理是通过感应加热、辐射热能、激光、红外、微波、等离子体或紫外线加热进行的热处理。

10.根据权利要求6所述的具有层柱状支撑结构的多孔石墨烯的制备方法，其特征是：所述热处理是通过感应加热、辐射热能、激光、红外、微波、等离子体或紫外线加热进行的热处理。