CN106219521B - 一种三维泡沫石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维泡沫石墨烯的制备方法，属于功能材料制备技术领域。该发明的技术方案是：首先以多孔泡沫金属为基底，以水溶性的有机物为碳源，进行水热碳包覆反应得到多孔碳包覆的泡沫金属，然后将制备的多孔碳包覆的泡沫金属在一定条件下进行热处理得到三维石墨烯前驱体，最后除掉泡沫金属骨架得到多孔的三维泡沫石墨烯材料。本发明方法简单易行，制备条件温和，绿色环保，且成本低廉，制备的三维泡沫石墨烯具有多孔的三维导电碳网络结构，高的比表面积和优良的柔韧性，可广泛应用于储能、催化和吸附等领域。

Description

一种三维泡沫石墨烯的制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种三维泡沫石墨烯的制备方法，属于功能材料技术领域。
背景技术
三维泡沫石墨烯，是石墨烯通过结构优化得到的一种多孔材料，具有三维导电的碳网络结构、高的孔隙率、高的比表面积、优良的柔韧性，克服了石墨烯易团聚堆叠、片层间的导电性差的问题。在催化和储能等领域具有很好的应用前景。而目前其制备方法主要有化学气相沉积法和水热自组装法。化学气相沉积法制备条件苛刻，成本高。而水热自组装法需采用氧化石墨烯为原料，而氧化石墨烯的生产原料是不可再生资源石墨，并且其制备工艺也很繁琐，一定程度上限制了其大规模生产应用。
发明内容
针对现有制备方法存在的问题，本发明的目的在于，提供一种三维泡沫石墨烯的制备方法，该制备方法工艺简单，条件温和，绿色环保且成本低廉，适合于大规模的批量生产。制备的三维泡沫石墨烯具有多孔的三维导电碳网络结构，高的比表面积和优良的柔韧性，可广泛应用于储能、催化和吸附等领域。
本发明的技术方案可通过以下步骤实现：
（1）将泡沫金属进行预处理，预处理方法为：用稀盐酸浸泡10min后，用去离子水、无水乙醇分别超声清洗5min，60℃真空干燥6h后取出，以除去泡沫金属表面氧化层和油污；
（2）将经步骤（1）预处理的泡沫金属放入反应釜中，加入碳源溶液没过泡沫金属，加热至一定条件进行水热碳包覆反应，反应完后冷却至室温，得到碳包覆泡沫金属；
（3）将步骤（2）得到的碳包覆泡沫金属进行洗涤，干燥；
（4）将干燥后的碳包覆泡沫金属在惰性氛围下进行热处理，得到三维泡沫石墨烯的前驱体；
（5）将三维泡沫石墨烯的前驱体进行除泡沫金属后，洗涤，干燥得到三维泡沫石墨烯。
优选地，所述泡沫金属包括泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍。
优选地，步骤（2）中的碳源为水溶性的有机化合物，优选为单糖、二糖、多糖中的一种或几种；碳源溶液浓度为0.05-3mol/L。
优选地，步骤（2）中水热碳包覆的反应温度为120-200℃，反应时间为1-24h。
优选地，步骤（3）或（5）中的洗涤溶剂为去离子水或有机溶剂，如：乙醇、丙酮。
优选地，步骤（4）中的热处理温度为350-850℃，热处理时间为1-10h。
优选地，步骤（5）中除泡沫金属的方法为：将PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）溶液滴于三维泡沫石墨烯前驱体上形成一层均匀的涂层，干燥后分别用3mol/L的盐酸（或0.5mol/LFeCl3）和丙酮除掉泡沫金属基底和PMMA涂层。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明方法工艺简单，制备条件温和，绿色环保且成本低廉；
（2）本发明方法制备的碳源为水溶性有机物，原料来源广，适合于大规模批量生产。
附图说明
图1为实施例1制备的三维泡沫石墨烯前驱体；
图2为实施例1制备的三维泡沫石墨烯；
图3为实施例1制备的三维泡沫石墨烯的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明方法作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将1.5cm2的泡沫镍用稀盐酸浸泡10min后，用去离子水、无水乙醇分别超声清洗5min后，60℃真空干燥6h后取出，放入反应釜，加入0.15mol/L的葡萄糖溶液没过泡沫镍，在180℃下进行水热碳包覆反应9h，反应完后自然冷却至室温，得到碳包覆的泡沫镍；将碳包覆的泡沫镍取出，用去离子水清洗后干燥，将干燥后的碳包覆的泡沫镍在N2氛围下600℃灼烧6h，得到三维泡沫石墨烯前驱体；然后将PMMA溶液滴于该前驱体上形成一层均匀的涂层，干燥后分别用3mol/L的盐酸和丙酮依次除掉泡沫镍和PMMA涂层，再用乙醇清洗后干燥即得三维泡沫石墨烯。
所得三维泡沫石墨烯前驱体、三维泡沫石墨烯及其电镜图，分别如图1、图2、图3所示，从图1、图2和图3可以看出三维泡沫石墨烯完美的复制了泡沫金属的结构，且具有多孔的三维网状结构。
实施例2
将1cm2的泡沫铝用稀盐酸浸泡10min后，用去离子水、无水乙醇分别超声清洗5min后，60℃真空干燥6h后取出，放入反应釜，加入3mol/L的蔗糖溶液没过泡沫铝，在120℃下进行水热碳包覆反应24h，反应完后自然冷却至室温，得到碳包覆的泡沫铝，将碳包覆的泡沫铝取出，用无水乙醇清洗后干燥，将干燥后的碳包覆的泡沫铝在N2氛围下350℃热处理10h，得到三维泡沫石墨烯前驱体；然后将PMMA溶液滴于该前驱体上形成一层均匀的涂层，干燥后分别用3mol/L的盐酸和丙酮依次除掉泡沫铝基底和PMMA涂层，再用丙酮溶液清洗后干燥即得三维泡沫石墨烯。
实施例3
将2cm2的泡沫铜用稀盐酸浸泡10min后，用去离子水、无水乙醇分别超声清洗5min后，60℃真空干燥6h后取出，放入反应釜，加入0.05mol/L的淀粉溶液没过泡沫铜，在200℃下进行水热碳包覆反应1h，反应完后自然冷却至室温，得到碳包覆的泡沫铜，将碳包覆的泡沫铜取出，用丙酮清洗后干燥，将干燥后的碳包覆的泡沫铜在N2氛围下850℃灼烧1h，得到三维泡沫石墨烯前驱体；然后将PMMA溶液滴于该前驱体上形成一层均匀的涂层，干燥后分别用0.5mol/L FeCl3和丙酮依次除掉泡沫铜基底和PMMA涂层，再用去离子水清洗后干燥即得三维泡沫石墨烯。

Claims (10)

1.一种三维泡沫石墨烯的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）将泡沫金属进行预处理；
（2）将经步骤（1）预处理的泡沫金属放入反应釜中，加入碳源溶液没过泡沫金属，加热进行水热碳包覆反应，反应完后冷却至室温，得到碳包覆泡沫金属；
（3）将步骤（2）得到的碳包覆泡沫金属进行洗涤，干燥；
（4）将步骤（3）干燥后的碳包覆泡沫金属在惰性氛围下进行热处理，得到三维泡沫石墨烯的前驱体；
（5）将三维泡沫石墨烯的前驱体进行除泡沫金属后，洗涤，干燥得到三维泡沫石墨烯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述泡沫金属为泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中预处理方法是，用稀盐酸浸泡10min后，用去离子水、无水乙醇分别超声清洗5min，60℃真空干燥6h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中碳源为水溶性的有机物。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中碳源为单糖、二糖、多糖中的任意一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的碳源溶液浓度为0.05-3mol/L。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中水热碳包覆的反应温度为120-200℃，反应时间为1-24h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）或（5）中所述的洗涤溶剂为去离子水或有机溶剂。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中热处理温度为350-850℃，热处理时间为1-10h。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（5）中除泡沫金属的方法为，将聚甲基丙烯酸甲酯溶液滴于三维泡沫石墨烯前驱体上形成均匀涂层，干燥后分别用3mol/L的盐酸或0.5mol/L FeCl3以及丙酮依次除掉泡沫金属基底和PMMA涂层。
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