CN102807211A - 一种石墨烯球形组装体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯球形组装材料及其制备方法，该方法以铁催化剂、升华硫及有机酚类作为反应物，通过溶剂热反应，以及后续的炭化处理及酸处理过程，得到直径分布均匀的石墨烯球形组装体，工艺过程简单、材料制备成本低、纯度高。实验结果表明，本发明得到的石墨烯材料在锂电池中表现处理出良好的储锂性能。

Description

一种石墨烯球形组装体及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯组装体的制备方法。 

背景技术

石墨烯（graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；其导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，比纳米碳管或硅晶体高；电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世界上常温电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。石墨烯材料由于比表面积大（理论比表面积高达2600m²/g）、导电性好以及在电极反应中锂离子结合电位低等优点使其在理论上成为一种优质的锂离子二次电池负极材料。 

石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法及有机合成法。其中机械剥离法[K.S.Novoselov,et al.Electric field effect in atomically thin carbon films.Science 2004(306)666.]可通过剥离石墨层状结构得到单层石墨烯，但这种方法得到的单层石墨烯产量低且有随机性，无法得到纯度高、产量大的产物，难以 进行工业化应用；化学气相沉积法[Cecilia Mattevi,et al.A review of chemical vapour deposition of graphene on copper.J.Mater.Chem.21(2011)3324.]是利用含碳小分子在高温基板上催化沉积形成结构均匀的单层及多层石墨烯片层，该方法制得的石墨烯结构不含氧官能团，产物尺寸较大，但是此方法需要严格控制工艺条件且生成石墨烯片层的尺寸难以控制，影响了其用来制备大量石墨烯结构以进行进一步大规模应用。氧化石墨还原法[Zhongqing Wei,et al.Nanoscale tunable reduction of graphene oxide for graphene electronics.Science328(2010)1373.]是先将石墨进行氧化处理，形成带有大量含氧官能团的石墨层间化合物，通过超声等方法单层氧化石墨溶液，最后用还原剂将单层氧化石墨还原以得到石墨烯结构的方法，但目前这种方法制得的石墨烯电子结构及晶体完整性均受到强氧化剂的严重破坏，且表面含氧官能团不能被全部还原，依然会有大量的残余，这影响了石墨烯在电化学储能领域的应用；有机合成法化学方法研究得较早，主要是以苯环或其他芳香体系为核，通过偶联反应使苯环上6个碳均被取代，然后相邻取代基之间脱氢形成新的芳香环,如此进行多步反应使芳香体系变大。通过对多环芳烃（PAH）合成方法进行改进，目前通过化学合成法合成较大体系的石墨烯主要是通过Diels-Alder反应、Pd催化的Hagihara-Sonogashira，Buchwald-Hartwig或Kumada-Negishi偶合等先合成六苯并蔻(HBC)，然后在FeCl₃或Cu(OTf)₂-AlCl₃作用下环化脱氢得到较大平面的石墨烯。Kuang等[Qin Kuang,et al.Low temperature solvothermal synthesis of crumpled carbon nanosheets. Carbon 42(2004)1737.]以金属钾和四氯化碳为原料在60~100℃的条件下通过溶剂热反应制得大量高纯度的石墨烯片层结构。有机合成石墨烯方法通常利用较温和的反应体系（物相均匀体系，体系温度低于250℃），对反应设备的要求较低，产物纯度高，可以进行石墨烯大量制备，优于其他制备方法。本发明采用的方法为溶剂热法，属于有机合成法。溶剂热法过程简单而且易于控制，并且在密闭体系中可以有效的防止有毒物质的挥发和制备对空气敏感的前驱体。另外，物相的形成、粒径的大小、形态也能够控制，产物的分散性较好。溶剂热法因封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点越来越受到关注。 

在石墨烯材料的使用方面，石墨烯由于具有较大的表面积和表面张力，容易发生自身的卷曲并发生相互间的团聚，很难单独稳定存在，故目前制备得到的单层石墨烯仅存在于溶液或者某些特殊条件中。实际使用的石墨烯大部分以多层或其他形貌的组装体的形式存在。石墨烯组装体是目前石墨烯进行实际应用尤其是在电化学储能应用中的最可行形式。Guo等[Peng Guo,et al.Electrochemical performance of graphene nanosheets as anode material for lithium-ion batteries.Electrochem.Commun.11(2009)1320.]通过高温膨胀氧化石墨的方法制得了厚度为7~10nm的石墨烯片层组装体（约20~30层）并揭示了其作为锂离子电池负极材料的良好性能；Wang等[G Wang,et al.Graphene nanosheets for enhanced lithium storage in lithium ion batteries.Carbon 47(2009)2049.]通过氧化石墨烯还原法制得了团簇状的石墨烯组装体，其中石墨烯片层由2~3层石墨烯单片层组成，这种组装体 在作为锂离子电池负极材料时表现出了约440mA h/g的可逆容量。以上方法皆为首先制得氧化石墨，进而由氧化石墨得到氧化石墨烯组合体，最后将其还原为石墨烯组装体的过程，工艺流程复杂，成本较高，不利于工业化的实现。 

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种石墨烯球形组装材料及其制备方法，该方法制备的石墨烯产量大、分布均匀且具有良好的电化学性能，作为锂离子电池材料等电子元器件材料具有广泛前景。 

为达到上述发明目的，本发明采用的内容是：一种石墨烯片层结构组装体，其颗粒直径分布范围0.1~10μm，石墨烯片层厚度范围1~7nm。 

本发明提供一种石墨烯材料的制备方法，其特征在于按下列方法制得： 

步骤a）将含铁催化剂、有机酚类与硫按照物质的量的比为1:2:1~1:2:10进行搅拌混合并使其超声分散均匀，然后将混合物与有机溶剂混合均匀后装入反应釜中，在150~250℃保温4~72h，进行溶剂热反应，最后待反应体系冷却至室温，将产物进行过滤、清洗与干燥后得到含有硫化铁的纳米炭片组装体结构； 

步骤b）将所述纳米炭片组装体结构进行研磨并经过恒温炭化处理，得到石墨烯/硫化铁复合材料；将所述石墨烯/硫化铁复合材料在5M盐酸溶液浸泡，然后将浸泡混合物经过过滤处理，最后将滤出物 进行恒温干燥处理，得到石墨烯球形组装体。 

优选的，所述步骤a）含铁催化剂为三氯化铁、硝酸铁、草酸铁、二茂铁或乙酰丙酮铁。含铁催化剂的作用是使得碳源分子在特定温度下相互发生反应并组装成片层结构。 

优选的，所述步骤a）有机酚类为苯酚、邻甲酚、对苯二酚、邻苯二酚或间苯二酚。有机酚类的作用是：1）提供碳源；2）优化所得石墨烯组装体的片层结构。 

优选的，所述步骤a）的溶剂热反应温度为150~250℃。温度过低会导致催化反应无法进行，不能生成片层结构；温度过高则导致反应体系压力过大，增加反应的危险性。 

优选的，所述步骤a）的溶剂热反应保温时间为4~72h。保温时间过短无法形成片层结构，保温时间过长会导致生成的片层结构相互融合，最后形成块体。 

优选的，所述步骤b）恒温炭化处理温度为600~1200℃。炭化处理是炭材料制备过程中常见的处理步骤，温度过低会导致最后生成的石墨烯中含有较多官能团，温度过高会导致最终生成石墨烯片层结构过于致密，甚至变成石墨结构。 

本发明提供的方法只需经过加热、酸处理过程就能得到石墨烯片层结构组装体材料，对反应设备要求较低，产物的纯度和产率很高，纯度可以高达98%以上，具有工艺简单、材料制备成本低廉等特点，可以作为锂离子电池负极材料、超级电容器电极材料、传感器材料、导电剂、添加剂等使用。 

附图说明

图1～4均为本发明实施例1原子比（Fe：S）为1：3的二茂铁和升华硫，与邻甲酚混合，先经过溶剂热反应，后经炭化及盐酸溶液处理得到的石墨烯材料的测试图。 

图1是本发明中石墨烯球形组装体的拉曼光谱谱图； 

图2是本发明中石墨烯球形组装体的颗粒直径分布图； 

图3是本发明中石墨烯球形组装体的扫描电子显微镜照片与高分辨透射电子显微镜照片； 

图4是本发明中石墨烯球形组装体作为电极材料在锂电池中经过恒流充放电循环测试所得到的放电比容量曲线。 

具体实施方式

下面以实施例的方式说明本发明，但不构成对本发明的限制。 

实施例1 

称取3.37g二茂铁（Fe(C₅H₅)₂），3.91g邻甲酚与1.74g升华硫进行搅拌混合（原子比Fe：S=1：3），后将混合物转移入反应釜中，向反应釜中注满苯后加盖密封。将反应釜置于700瓦超声水浴中振荡30min，取出后放入200℃恒温烘箱中保温48h，待到反应釜自然冷却至室温后将产物进行抽滤，得到的固体产物在氮气流保护下进行1000℃保温2h碳化处理，得到黑色固体粉末。将该粉末置于过量的5M盐酸溶液中搅拌72h后进行抽滤并用大量去离子水将滤出物洗至洗出液的pH值等于7，最后所得滤出物在80℃进行真空烘干后即 得到石墨烯球形组装体。 

如附图1所示，拉曼光谱谱图显示，本实施例所得石墨烯球形组装体的D峰和G峰分别位于1342cm^-1和1592cm^-1处，两峰的强度比为I_D/I_G=1.07； 

如附图2所示，颗粒直径分布图显示本实施例所得石墨烯球形组装体颗粒直径分布范围为0.25~4.0μm，其中97%的组装体颗粒直径小于2.33μm； 

如附图3所示，扫描电子显微镜照片显示本实施例所得产物全部为石墨烯组装体，其中球形组装体含量达98%以上，且石墨烯片层垂直组装体球面取向，高分辨透射电子显微镜照片显示本实施例所得石墨烯球形组装体厚度为2~5nm，其中石墨烯片层中单层层数小于10，石墨烯单层间距为0.37nm； 

为考察该材料在锂离子电池中的可逆容量、循环性能、倍率性能，对电池进行恒流充放电测试分析。实验电池的组装方法：将制得的石墨烯材料制成测试电极，采用扣式CR2032型体系模拟电池，对电极选用金属锂片。测试条件为：电流密度50、200、500、1000、5000mA/g，电压范围0.01~2.5V，循环次数为50次。 

如附图4所示，作为锂离子电池负极材料，其首次放电容量达到了1647mA h/g，可逆容量高达528mA h/g。电流密度为50mA/g时，放电容量在第五次循环之后趋于稳定，衰减缓慢，循环50次后容量保持在411mA h/g。在电流密度为200、500、1000和5000mA/g的情况下，将该材料进行50次循环充放电测试，对应上述四种电流密 度的可逆容量分别为505、498、442和227mA h/g，每次循环容量衰减率分别为0.5%、0.9%、1.0%和0.6%。 

实施例2 

称取4.89g三氯化铁（FeCl₃·6H₂O），3.91g邻甲酚与5.80g升华硫进行搅拌混合（原子比Fe：S=1：10），后将混合物转移入反应釜中，向反应釜中注满苯后加盖密封。将反应釜置于700瓦超声水浴中振荡30min，取出后放入250℃恒温烘箱中保温4h，待到反应釜自然冷却至室温后将产物进行抽滤，得到的固体产物在氮气流保护下进行600℃保温2h碳化处理，得到黑色固体粉末。将该粉末置于过量的5M盐酸溶液中搅拌72h后进行抽滤并用大量去离子水将滤出物洗至洗出液的pH值等于7，最后所得滤出物在80℃进行真空烘干后即得到石墨烯球形组装体。 

通过透射与扫描电子显微镜观察得到，本实施例所得产物中石墨烯球形组装体直径分布范围2~10μm，片层厚度5~7nm，石墨烯片层垂直组装体球面取向。采用与实施例1相同的方法进行充放电测试，结果表明，电流密度为50mA/g时，可逆容量为498mA h/g，循环50次后容量保持在398mA h/g。 

实施例3 

称取7.32g硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9H₂O），3.98g邻苯二酚与0.58g升华硫进行搅拌混合（原子比Fe：S=1：1），后将混合物转移入反应釜中，向反应釜中注满苯后加盖密封。将反应釜置于700瓦超声水浴中振荡30min，取出后放入200℃恒温烘箱中保温60h，待到反应釜 自然冷却至室温后将产物进行抽滤，得到的固体产物在氮气流保护下进行800℃保温2h碳化处理，得到黑色固体粉末。将该粉末置于过量的5M盐酸溶液中搅拌72h后进行抽滤并用大量去离子水将滤出物洗至洗出液的pH值等于7，最后所得滤出物在80℃进行真空烘干后即得到石墨烯球形组装体。 

通过透射与扫描电子显微镜观察得到，本实施例所得产物中石墨烯球形组装体直径分布范围6~10μm，片层厚度5~7nm，石墨烯片层垂直组装体球面取向。采用与实施例1相同的方法进行充放电测试，结果表明，电流密度为50mA/g时，可逆容量为570mA h/g，循环50次后容量保持在350mA h/g。 

实施例4 

称取8.44g草酸铁（Fe₂(C₂O₄)₃·5H₂O），3.98g对苯二酚与2.90g升华硫进行搅拌混合（原子比Fe：S=1：5），后将混合物转移入反应釜中，向反应釜中注满苯后加盖密封。将反应釜置于700瓦超声水浴中振荡30min，取出后放入150℃恒温烘箱中保温48h，待到反应釜自然冷却至室温后将产物进行抽滤，得到的固体产物在氮气流保护下进行1200℃保温2h碳化处理，得到黑色固体粉末。将该粉末置于过量的5M盐酸溶液中搅拌72h后进行抽滤并用大量去离子水将滤出物洗至洗出液的pH值等于7，最后所得滤出物在80℃进行真空烘干后即得到石墨烯球形组装体。 

通过透射与扫描电子显微镜观察得到，本实施例所得产物中石墨烯球形组装体直径分布范围0.1~2μm，片层厚度2~3nm，石墨烯片 层垂直组装体球面取向。采用与实施例1相同的方法进行充放电测试，结果表明，电流密度为50mA/g时，可逆容量为380mA h/g，循环50次后容量保持在350mA h/g。 

实施例5 

称取6.40g乙酰丙酮铁（Fe(C₅H₇O₂)₃），3.98g间苯二酚与1.74g升华硫进行搅拌混合（原子比Fe：S=1：3），后将混合物转移入反应釜中，向反应釜中注满苯后加盖密封。将反应釜置于700瓦超声水浴中振荡30min，取出后放入220℃恒温烘箱中保温36h，待到反应釜自然冷却至室温后将产物进行抽滤，得到的固体产物在氮气流保护下进行1000℃保温2h碳化处理，得到黑色固体粉末。将该粉末置于过量的5M盐酸溶液中搅拌72h后进行抽滤并用大量去离子水将滤出物洗至洗出液的pH值等于7，最后所得滤出物在80℃进行真空烘干后即得到石墨烯球形组装体。 

通过透射与扫描电子显微镜观察得到，本实施例所得产物中石墨烯球形组装体直径分布范围0.1~4μm，片层厚度1~4nm，石墨烯片层垂直组装体球面取向。采用与实施例1相同的方法进行充放电测试，结果表明，电流密度为50mA/g时，可逆容量为470mA h/g，循环50次后容量保持在345mA h/g。 

实施例6 

称取3.37g二茂铁（Fe(C₅H₅)₂），3.40g苯酚与1.16g升华硫进行搅拌混合（原子比Fe：S=1：2），后将混合物转移入反应釜中，向反应釜中注满苯后加盖密封。将反应釜置于700瓦超声水浴中振荡30 min，取出后放入180℃恒温烘箱中保温60h，待到反应釜自然冷却至室温后将产物进行抽滤，得到的固体产物在氮气流保护下进行800℃保温2h碳化处理，得到黑色固体粉末。将该粉末置于5M盐酸溶液中搅拌72h后进行抽滤并用乙醇反复冲洗直至滤出物质量不再发生变化，最后所得滤出物在80℃进行真空烘干后即得到石墨烯球形组装体。 

通过透射与扫描电子显微镜观察得到，本实施例所得产物中石墨烯球形组装体直径分布范围7~10μm，片层厚度4~7nm，石墨烯片层垂直组装体球面取向。采用与实施例1相同的方法进行充放电测试，结果表明，电流密度为50mA/g时，可逆容量为462mA h/g，循环50次后容量保持在370mA h/g。 

实施例7 

称取6.40g乙酰丙酮铁（Fe(C₅H₇O₂)₃），3.40g苯酚与4.06g升华硫进行搅拌混合（原子比Fe：S=1：7），后将混合物转移入反应釜中，向反应釜中注满苯后加盖密封。将反应釜置于700瓦超声水浴中振荡30min，取出后放入200℃恒温烘箱中保温36h，待到反应釜自然冷却至室温后将产物进行抽滤，得到的固体产物在氮气流保护下进行700℃保温2h碳化处理，得到黑色固体粉末。将该粉末置于5M盐酸溶液中搅拌72h后进行抽滤并用乙醇反复冲洗直至滤出物质量不再发生变化，最后所得滤出物在80℃进行真空烘干后即得到石墨烯球形组装体。 

通过透射与扫描电子显微镜观察得到，本实施例所得产物中石墨 烯球形组装体直径分布范围4~10μm，片层厚度4~7nm，石墨烯片层垂直组装体球面取向。采用与实施例1相同的方法进行充放电测试，结果表明，电流密度为50mA/g时，可逆容量为502mA h/g，循环50次后容量保持在387mA h/g。 

以上所述仅是为了本领域技术人员理解本发明所列举的几个具体实施例，并非用来限制本发明所要求保护的范围。故凡以本发明权利要求所述的特征、结构及原理所做的等效变化或修饰，均应包括在本发明权利要求范围之内。 

Claims (4)

1.一种石墨烯球形组装体，组装体直径在0.1~10μm之间，其中石墨烯片层沿垂直于组装体球面取向，片层厚度为1~7nm。

2.一种权利要求1所述石墨烯组装体的制备方法，包括下述步骤：

（1）将含铁催化剂、有机酚类与硫按照物质的量的比为1:2:1~1:2:10进行搅拌混合并使其在有机溶剂中超声分散均匀，将所得混合物在150~250℃进行溶剂热反应4~72h，之后将产物在惰性气氛保护下，600~1200℃炭化处理2h；

（2）将炭化产物用过量的盐酸进行浸泡处理，除去其中的硫化铁，然后过滤、清洗、干燥，得到目标产物。

3.根据权利要求2所述石墨烯组装体的制备方法，其特征在于：所述含铁催化剂为三氯化铁、硝酸铁、草酸铁、二茂铁或乙酰丙酮铁。

4.根据权利要求2所述石墨烯组装体的制备方法，其特征在于：所述有机酚类为苯酚、邻甲酚、对苯二酚、邻苯二酚或间苯二酚。

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