CN107108224A - 具有多个蛋黄/蛋壳结构的多层石墨烯材料 - Google Patents

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Abstract

本文描述了多层石墨烯材料及其制备方法和用途。多层石墨烯材料可以包含具有形成多个蛋黄/蛋壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构的多个石墨烯层。每个蛋黄/蛋壳型结构可以包含至少两个石墨烯层，其形成包围具有多个纳米结构或微米结构中至少一个的空隙空间的壳状结构。空隙空间具有足以允许多个纳米结构或微米结构中的至少一个体积膨胀而不使壳状结构变形的容积。

Description

具有多个蛋黄/蛋壳结构的多层石墨烯材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年11月11日提交的美国临时专利申请第62/253995号的权益，其整体通过引用并入本文。
发明背景
A.发明领域
本发明一般涉及包含多个石墨烯层的多层石墨烯材料，所述石墨烯层具有插入其中的多个纳米结构或微米结构。该组合产生具有大量蛋黄/蛋壳状结构的石墨烯材料。每个蛋黄/蛋壳状结构具有空隙空间，其使得插入的纳米结构或微米结构膨胀而不会使石墨烯层变形。在一个非限制性实例中，本发明的材料可以用作可充电储能应用中的电极(例如，二次电池或可充电电池、电容器、超级电容器等)。
B.相关技术说明
石墨烯具有高热导率、快速充电的载流子迁移率和高杨氏模量的优异性能。其在储能装置、电化学装置、催化反应、细胞成像装置和药物递送中具有潜在应用。得到众多关注的一个应用是在锂离子电池或高速超级电容器中。锂离子电池的存储容量、功率密度和循环稳定性强烈地取决于电活性材料(EA)的性质及其是如何负载和电连接到集电器的，该集电器在EA材料与外界之间转移电子。在常规的锂离子电池中，石墨粉末可以用作负电极。石墨烯的最大存储容量由每6个碳原子1个Li的化学计量确定，其产生约380mAh/g石墨的电荷密度。通过使用具有较高Li存储容量的其它金属如硅(Si)或锡(Sn)，可以将存储容量增加至大于3500mAh/g。
使用这些替代材料的主要障碍是循环稳定性。例如，Si的理论存储容量是石墨烯的约10倍，但是对于由硅纳米颗粒(例如直径为几十nm的颗粒)制成的负电极，初始高容量在几个循环后会损失到小于理论容量的10％。已公开了增加锂存储容量的各种尝试。Chen等人的“Macroporous‘bubble’graphene film via template-directed ordered-assembly for high rate supercapacitors”,Chemical Communications,202,48,7149-7151，描述了使用硬模板策略制备具有多个空的空隙空间的三维石墨烯膜。Samulski等人的美国专利申请第20110284805号描述了制备用纳米空间点缀的石墨烯片的纳米空间-石墨烯复合材料的方法。de Guzman等人的美国专利申请第20140329150号描述了包括嵌入到石墨烯片中的多个纳米颗粒的石墨烯复合材料。Kung等人的美国专利第8778538号公开了具有多个石墨烯片和电活性材料的电极材料。在锂化和脱锂化期间，该石墨烯片与电活性材料保持恒定的接触。在这种情况下，由于在石墨烯片和电活性材料之间缺少足够间距，Kung等人的材料被设计为膨胀并收缩。
不论关于石墨烯材料的所有目前可用的研究，许多这些材料在充电-放电循环期间有容量退化的问题，并且仅允许插入的纳米颗粒的二维(2D)膨胀。此外，在锂化和脱锂化期间的持续膨胀/去膨胀循环导致石墨烯层的结构失效和最终的电池故障。
发明内容
已经发现了与石墨烯材料的膨胀和去膨胀有关的问题的解决方案。该解决方案在于能够将石墨烯材料设计为在石墨烯材料有限至无相应膨胀的情况下吸收金属离子(例如锂离子)。具体来说，将蛋黄/蛋壳型结构引入该材料，其中蛋黄可以吸收金属离子并膨胀而不会导致石墨烯材料膨胀。石墨烯材料包括多个石墨烯层，所述石墨烯层具有多个插入的纳米结构或微米结构，和在每个插入的结构周围的空隙空间。这产生具有大量蛋黄/蛋壳结构的石墨烯材料，其中蛋黄是纳米结构或微米结构，壳是插入蛋黄的至少两个石墨烯层的组合。该配置使得空隙空间中的纳米结构或微米结构三维膨胀，从而减少或避免了石墨烯材料的膨胀，以及最终降低或消除对石墨烯材料的损害。这与通常和石墨烯材料有关的2D膨胀是相反的，所述2D膨胀如在储能应用中使用的那些。因而，本发明的材料的一个非限制性用途是在储能应用如二次电池应用(例如锂离子或锂硫电池、电容器、超级电容器等)中作为电极(例如阳极和/或阴极)。当锂化或充电时，本发明的材料可以是在脱锂化或未充电状态的材料体积的10％、5％、4％、3％、2％、1％内或更少。在优选的情况下，本发明的材料的充电和未充电状态之间的体积％差异在5％以内，优选在3％以内，或更优选在1％以内或更少。
在一个具体的实施方案中，描述了多层石墨烯材料。多层石墨烯材料可以包含多个石墨烯层(例如经还原的氧化石墨烯层)，其具有形成多个蛋黄/蛋壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构。每个蛋黄/蛋壳型结构可以包含至少两个石墨烯层，其形成包围空隙空间的壳状结构，该空隙空间具有多个纳米结构或微米结构(例如1、2、3、4、5等)的至少一个。该空隙空间具有足以允许多个纳米结构或微米结构中的至少一个的体积膨胀(例如体积膨胀至少50％，或体积膨胀200％至500％)而不使壳状结构变形的容积。每个空隙空间可以具有5nm3至106μm3的平均容积。纳米结构或微米结构可以占据1％至80％，优选30％至60％的每个空隙空间的容积。将多个蛋黄壳型结构配置为：1)在空隙空间中保持多个纳米结构或微米结构，2)使流体、气体、离子能够进入和离开结构。在一些情况下，石墨烯材料具有1×10-9至1×10-4mol m-2s-1Pa的流通量。纳米结构或微米结构可以包含硅或其氧化物或合金。在一些情况下，纳米结构或微米结构可以包含金属、金属氧化物、基于碳的纳米结构或微米结构、金属有机骨架、沸石咪唑酯骨架、共价有机骨架或其任意组合。金属可以是贵金属(例如钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、锇(Os)或铱(Ir)或其任意组合或合金)，或过渡金属(例如银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)或锡(Sn)或其任意组合或氧化物或合金)。金属氧化物可以包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、二氧化锗(GeO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化镧(La2O3)、二氧化铈(CeO2)、或其任意组合或合金。每个纳米结构或微米结构的直径可以是1nm至1000nm，优选1nm至50nm，或更优选1nm至5nm。纳米结构或微米结构的总重量百分比可以为10重量％至90重量％。可以将石墨烯材料形成片或膜，在一些情况下，片或膜可以具有10nm至500μm的厚度。
在另一个情况下，描述了包括本发明的多层石墨烯材料的能源装置。该能源装置可以是可充电电池(例如锂离子电池或锂硫电池)。电池的阳极和/或阴极可以包含多层石墨烯材料。当充电或锂化时，多层石墨烯材料的体积是脱锂或未充电时多层石墨烯材料体积的10％、5％、4％、3％、2％、1％以内或更少。
在其它实施方案中，描述了用于催化化学反应的催化膜，使用催化膜的方法和用于制备包括本发明的催化膜或石墨烯材料的化学产品的系统。膜可以包含本发明的多层石墨烯材料。一种方法可以包括催化化学反应(例如烃裂解反应、烃加氢反应和/或烃脱氢反应、环境修复反应和/或三元催化转化反应)，其中材料或膜与反应物进料接触以催化反应并制备产品进料。制备化学产品的系统可以包括(a)用于反应物进料的入口；(b)被配置为与入口流体联通的反应区，(c)被配置为与反应区流体连通并被配置为从反应区移除产品流的出口。反应区可以包含本发明的多层石墨烯材料或膜。
还描述了制备本发明的多层石墨烯材料的方法。一种方法可以包括获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，所述氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的复合纳米结构或微米结构。每个核/壳型结构可以包含至少两个石墨烯层，其形成包围多个复合纳米结构或微米结构中的至少一个的壳状结构。复合纳米结构或微米结构可以包含可除去的聚合物基体。可以煅烧组合物，以将氧化石墨烯层还原为石墨烯层和除去聚合物基体，以制备本发明的多层石墨烯材料。每个复合纳米结构或微米结构用可除去的聚合物基体涂覆。基体的去除可以将核/壳型结构转化为蛋黄/蛋壳型结构，其包围具有纳米结构或微米结构的空隙空间，其中空隙空间具有足以允许纳米结构或微米结构体积膨胀而不会使壳状结构变形的容积。在一些情况下，每个复合纳米结构或微米结构可以包括聚合物基体内所含的多纳米结构或微米结构。基体的去除可以将核/壳型结构转化为蛋黄/蛋壳型结构，其包含具有多纳米结构或微米结构的空隙空间，其中空隙空间具有足以允许多纳米结构或微米结构体积膨胀而不会使壳状结构变形的容积。可除去的聚合物基体可以是例如非交联的、部分交联的或完全交联的聚合物基体，且在一些情况下，包括聚苯乙烯(PS)、官能化PS、聚甲基丙烯酸甲酯、或基于硅氧烷的聚碳酸酯。可以将单个或多纳米结构或微米结构的一部分蚀刻以增加空隙空间的容积。另一种方法可以包括(a)获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，所述氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构。每个核/壳型结构可以包含至少两个石墨烯层，其形成包含多个插入的纳米结构或微米结构中的至少一个纳米结构或微米结构的壳状结构。在步骤(b)中，可以将组合物煅烧(例如500℃至1000℃，优选700℃至900℃的温度下)以将氧化石墨烯层还原为石墨烯层。在煅烧后，在步骤3中，可以将多个纳米结构或微米结构蚀刻掉以制备本发明的多层石墨烯材料。多个纳米结构或微米结构的部分蚀刻可以将核/壳型结构转化成包含具有至少一个纳米结构或微米结构的空隙空间的蛋黄/蛋壳型结构，其中空隙空间具有足以允许至少一个纳米结构或微米结构体积膨胀而不会使壳状结构变形的容积。通过将氧化石墨烯层和纳米结构或微米结构或复合纳米结构或微米结构的混合物经受真空过滤可以得到步骤(a)中的组合物。
本发明全文还公开了实施方案1至37。实施方案1是包含多个石墨烯层的多层石墨烯材料，该石墨烯层具有形成多个蛋黄/蛋壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构，每个蛋黄/蛋壳型结构包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，该壳状结构包围具有多个纳米结构或微米结构中的至少一个的空隙空间，其中该空隙空间具有足以允许多个纳米结构或微米结构中的至少一个的体积膨胀而不使壳状结构变形的容积。实施方案2是实施方案1的多层石墨烯材料，其中该空隙空间具有足以允许多个纳米结构或微米结构中的至少一个至少50％体积膨胀，优选200％至600％体积膨胀，而不使壳状结构变形的容积。实施方案3是实施方案1至2中任一项的多层石墨烯材料，其中多个蛋黄-蛋壳型结构的每一个包围单个纳米结构或微米结构。实施方案4是实施方案1至2中任一项的多层石墨烯材料，其中多个蛋黄-蛋壳型结构的每一个包围至少两个纳米结构或微米结构。实施方案5是实施方案3至4中任一项的多层石墨烯材料，其中纳米结构或微米结构占据每个空隙空间的1％至80％，优选30％至60％的容积。实施方案6是实施方案1至5中任一项的多层石墨烯材料，其中每个空隙空间的平均容积为5nm3至106μm3。实施方案7是实施方案1至6中任一项的多层石墨烯材料，其中多个蛋黄-蛋壳型结构被配置为使流体、气体或离子能够进入和离开该结构。实施方案8是实施方案1至7中任一项的多层石墨烯材料，其中该材料具有1×10-9mol m-2s-1Pa至1×10-4mol m-2s-1Pa的流通量。实施方案9是实施方案1至8中任一项的多层石墨烯材料，其中所述多个蛋黄-蛋壳型结构被配置为将多个纳米结构或微米结构保持在空隙空间中。实施方案10是实施方案1至9中任一项的多层石墨烯材料，其中石墨烯层是经还原的氧化石墨烯层。实施方案11是实施方案1至10中任一项的多层石墨烯材料，其中纳米结构或微米结构包含硅或其氧化物或合金。实施方案12是实施方案1至11中任一项的多层石墨烯材料，其中纳米结构或微米结构包含金属、金属氧化物、基于碳的纳米结构或微米结构、金属有机骨架、沸石咪唑酯骨架、共价有机骨架、或其任意组合。实施方案13是实施方案12的多层石墨烯材料，其中金属是贵金属，其选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)或铱(Ir)、锇(Os)、其任意组合或合金。实施方案14是实施方案12的多层石墨烯材料，其中金属是过渡金属，其选自银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、或锡(Sn)、或其任意组合或氧化物或合金。实施方案15是实施方案12的多层石墨烯材料，其中金属氧化物是选自二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、二氧化锗(GeO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化铪(HfO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化镧(La2O3)、二氧化铈(CeO2)、或其任意组合或合金的金属氧化物。实施方案16是实施方案1至15中任一项的多层石墨烯材料，其中每个纳米结构或微米结构具有1nm至1000nm，优选1nm至50nm，或更优选1nm至5nm的直径。实施方案17是实施方案1至16中任一项的多层石墨烯材料，其中材料是片或膜的形式。实施方案18是实施方案17的多层石墨烯材料，其中片或膜具有10nm至500μm的厚度。实施方案19是实施方案1至18中任一项的多层石墨烯材料，其中材料包含10重量％至90重量％的多个纳米结构或微米结构。
实施方案20是一种储能装置，其包含实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料。实施方案21是实施方案20的储能装置，其中储能装置是可充电电池。实施方案22是实施方案21的储能装置，其中可充电电池是锂离子电池或锂硫电池。实施方案23是实施方案22的储能装置，其中多层石墨烯材料包含在电池的电极中。实施方案24是实施方案23的储能装置，其中当锂化或充电时多层石墨烯材料的体积是未锂化或未充电时多层石墨烯材料体积的10％、5％、4％、3％、2％、1％以内或更少。实施方案25是一种用于催化化学反应的催化膜，该膜包含实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料。实施方案26是用实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料或实施方案25的膜催化化学反应的方法，该方法包括使材料或膜与反应物进料接触以催化反应并制备产品进料。实施方案27是实施方案26的方法，其中化学反应包括烃裂解反应、烃加氢反应和/或烃脱氢反应、环境修复反应和/或机动车中的三元催化转化反应。
实施方案28是用于制备化学产品的系统，该系统包括：(a)用于反应物进料的入口；(b)反应区，其配置为与入口流体连通，其中反应区包含实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料或实施方案28的膜；(c)出口，其配置为与反应区流体连通，并配置为从反应区移除产品流。实施方案29是制备实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料的方法，该方法包括：(a)获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，该氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的复合纳米结构或微米结构，每个核/壳型结构包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，该壳状结构包围多个复合纳米结构或微米结构的至少一个，其中复合纳米结构或微米结构包含可除去的聚合物基体；(b)煅烧该组合物，以将氧化石墨烯层还原为石墨烯层和除去聚合物基体，以制备实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料。实施方案30是实施方案29的方法，其中将每个复合纳米结构或微米结构用有可除去的聚合物基体涂覆，其中基体的去除将核/壳型结构转化成蛋黄/蛋壳型结构，其包围具有纳米结构或微米结构的空隙空间，其中空隙空间具有足以允许纳米结构或微米结构体积膨胀而不使壳状结构变形的容积。实施方案31是实施方案29的方法，其中每个复合纳米结构或微米结构包含多纳米结构或微米结构，其包含在聚合物基体内，其中基体的去除将核/壳型结构转化为蛋黄/蛋壳型结构，其包围具有多个纳米结构或微米结构的空隙空间，其中空隙空间具有足以允许多纳米结构或微米结构体积膨胀而不使壳状结构变形的容积。实施方案32是实施方案29至31中任一项的方法，其中可除去的聚合物基体是非交联、部分交联或完全交联的。实施方案33是实施方案29至32中任一项的方法，其中可除去的聚合物基体包括聚苯乙烯(PS)、官能化的PS、聚甲基丙烯酸甲酯、或基于硅氧烷的聚碳酸酯。实施方案34是实施方案29至33中任一项的方法，其还包括将纳米结构或微米结构部分蚀刻掉以增加空隙空间的容积。
实施方案35是制备实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料的方法，该方法包括：(a)获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，该氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构，每个核/壳型结包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，该壳状结构包围多个插入的纳米结构或微米结构的至少一个纳米结构或微米结构；(b)煅烧该组合物以将氧化石墨烯层还原为石墨烯层；(c)部分地蚀刻掉多个插入的纳米结构或微米结构以制备实施方案1至19中任一项的多层石墨烯材料，其中多个纳米结构或微米结构的部分蚀刻将核/壳型结构转化为蛋黄/蛋壳型结构，其包围具有至少一个纳米结构或微米结构的空隙空间，其中空隙空间具有足以允许至少一个纳米结构或微米结构的体积膨胀而不使壳状结构变形的容积。实施方案36是实施方案29至35中任一项的方法，其中通过使氧化石墨烯层和纳米结构或微米结构或复合纳米结构或微米结构的混合物经受真空过滤得到步骤(a)中的组合物。实施方案37是实施方案29至36中任一项的方法，其中将组合物在步骤(b)中在500℃至1000℃，优选700℃至900℃的温度下煅烧。
以下包括在贯穿该说明书中使用的各种术语和短语的定义。
短语“多层石墨烯”指作为无支持物的膜或片，或基底结合的涂层的2D(片状)材料，其由少量(2个至约10个)明确界定的、可计数的、延伸的横向尺寸的堆积石墨烯层构成，如“All in the graphene family-A recommended nomenclature for two-dimensionalcarbon materials”,Carbon,2013,65,1-6所描述的，其通过引用并入本文。
“蛋黄/蛋壳状结构”短语包括核/壳和蛋黄/蛋壳结构，不同之处是在核/壳结构中，至少50％的“核”表面与壳接触。相比之下，蛋黄/蛋壳结构包括小于50％的“蛋黄”表面与壳接触的情况。在任一情况下，在蛋黄/蛋壳状结构中存在空隙空间，其具有足以允许蛋黄或核的体积膨胀而不使多层石墨烯材料或多个石墨烯层变形的容积。核或蛋黄可以是纳米结构或微米结构。
可以由本领域普通技术人员确定是否存在核/壳或蛋黄/蛋壳。一个实例是本发明的多层石墨烯材料或材料的透射电子显微镜(TEM)或扫描透射电子显微镜(STEM)图像的目测，并确定是否至少50％(核)或更少(蛋黄)的给定纳米结构(优选纳米颗粒)表面与石墨烯层接触。
“纳米结构”指物体或材料，其中物体或材料的至少一个维度等于或小于1000nm(例如一个维度的尺寸是1nm至1000nm)。在具体的方面，纳米结构包括等于或小于1000nm的至少两个维度(例如第一维度的尺寸是1nm至1000nm，第二维度的尺寸是1nm至1000nm)。在另一个方面，纳米结构包括等于或小于1000nm的三个维度(例如第一维度的尺寸是1nm至1000nm，第二维度的尺寸是1nm至1000nm，且第三维度的尺寸是1nm至1000nm)。纳米结构的形状可以是线、颗粒(例如，具有基本上为球形的形状)、棒、四脚体、超支化结构、管、立方体或其混合物。“纳米颗粒”包括平均直径尺寸为1nm至1000nm的颗粒。
“微米结构”指物体或材料，其中物体或材料的至少一个维度大于1000nm(例如大于1000nm至最高5000nm)，且其中该结构无维度为1000nm或更小。纳米结构的形状可以是线、颗粒、球体、棒、四脚体、超支化结构、管、立方体或其混合物。“微米颗粒”包括平均直径尺寸大于1000nm，优选大于1000nm至5000nm，或更优选大于1000nm至10000nm的颗粒。
术语“约”或“大约”定义为如本领域普通技术人员理解的接近于。在一个非限制性实施方案中，该术语定义为10％以内，优选5％以内，更优选1％以内，最优选0.5％以内。
术语“基本上”及其变体定义为包括10％以内、5％以内、1％以内或0.5％以内的范围。
术语“重量％”、“体积％”或“摩尔％”分别指基于包含该组分的材料的总重量、总体积或总摩尔，组分的重量百分数、体积百分数、或摩尔百分数。在非限制性的实例中，在100克材料中的10克组分是10重量％的组分。
术语“抑制”或“减少”或“预防”或“避免”或这些术语的任意变体，当用于权利要求和/或说明书中时，其包括任何可测量的减少或完全抑制以实现所期望的结果。
如在说明书和/或权利要求中所使用的，术语“有效的”指足以实现所期望的、预期的或想要的结果。
当与任意术语“包含”、“包括”、“含有”或“具有”联用时，要素前没有数量词在权利要求或说明书中可以表示“一个”，但其也符合“一个或更多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的意思。
词语“包含”、“具有”、“包括”或“含有”是包括性或开放式的，不排除附加的、未引用的要素或方法步骤。
本发明的多层石墨烯材料可以“包含”贯穿说明书所公开的具体成分、组分、组合物等，或“基本上由其构成”或“由其构成”。在一个非限制性方面，关于过渡短语“基本上由……构成”，本发明的多层石墨烯材料的基本和新颖特征是在石墨烯材料有限或无相应膨胀的情况下能够吸收金属离子例如锂离子。
由以下附图、详述和实施例，本发明的其他目的、特征和优点会变得明显。然而，应理解的是附图、详述和实施例尽管表明了本发明的具体实施方案，但其仅以说明方式给出，并不旨在限制。此外，可以预期的是在本发明的精神和范围内的变化和修改由该详述会对本领域技术人员变得明显。在进一步的实施方案中，具体实施方案的特征可以与其它实施方案的特征结合。例如，来自一个实施方案的特征可以与来自任何其它实施方案的特征结合。在其他实施方案中，可以向本文所描述的具体实施方案添加附加特征。
附图说明
由以下详细描述和参考附图，本发明的优点对本领域技术人员可以变得明显。
图1是制备本发明的石墨烯材料的方法的实施方案的示意图。
图2是制备本发明的石墨烯材料的方法的另一个实施方案的示意图。
图3是经合成的氧化石墨烯(GO)的透射电子显微镜(TEM)图像。
图4是经合成的氧化石墨烯(GO)的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱。
图5是(a)石墨粉末和(b)GO的X射线衍射(XRD)图谱。
图6是硅粉末的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图7是Si@SiO2颗粒的SEM图像。
图8是用于能量色散X射线(EDX)的Si@SiO2颗粒的SEM图像。
图9是Si@SiO2颗粒的EDX结果。
图10是用于EDX的本发明的Si@SiO2/rGO膜的横截面的SEM图像。
图11是图10的Si@SiO2/rGO膜的横截面的放大SEM图像。
图12是用于EDX的图10的Si@SiO2/rGO膜的SEM图像。
图13是图12的Si@SiO2/rGO膜的EDX结果。
图14是本发明的Si/rGO蛋黄/蛋壳膜的横截面的SEM图像。
图15是图14的Si/rGO蛋黄/蛋壳膜的放大横截面SEM图像。
图16是用于EDX的图14的Si/rGO蛋黄/蛋壳膜的SEM图像。
图17是图16的Si/rGO蛋黄/蛋壳膜的EDX结果。
图18是图17的Si/rGO蛋黄-蛋壳膜的元素图：(a)SEM图像；(b)碳；(c)氧气；(d)硅。
尽管本发明容易受到各种修改和替代形式的影响，但其具体实施方案在附图中以举例的方式显示并可以详细地在本文中描述。附图可以不是按比例的。
具体实施方式
已经发现了克服与锂型装置的存储容量和充电放电循环不良有关的问题的解决方案。该解决方案以被构造为具有多个蛋黄/蛋壳状结构的多层石墨烯材料为前提，多个蛋黄/蛋壳状结构由多个石墨烯层和插入其中的多个纳米结构或微米结构产生。在某些非限制性方面，纳米结构或微米结构可以是电活性材料(例如它们吸引并保留锂离子)。不希望受理论约束，应认为当多层石墨烯材料被锂化或充电时，纳米结构或微米结构在石墨烯层内部膨胀(由于向纳米结构或微米结构添加锂离子)并引起使石墨烯层最低限度至无变形或膨胀。值得注意的是，这种结构使得纳米结构或微米结构在石墨烯层和插入的结构之间产生的空隙空间中三维膨胀。
在以下章节中参考附图进一步详细讨论了本发明的这些和其他非限制性方面。
A.多层石墨烯材料的制备
图1和图2是制备具有蛋黄-蛋壳型结构的多层石墨烯材料的方法的示意图。该方法可以包括可以组合使用以制备多结构石墨烯材料的一个或更多个步骤。
1.多纳米结构或微米结构的蛋黄/多石墨烯层壳型结构的制备
关于图1，方法100的步骤1可以包括获得多个氧化石墨烯层102和多个纳米结构或微米结构复合材料104。纳米结构或微米结构复合材料可以包括如下文描述的包封在可除去的聚合物基体108中或涂覆有可除去的聚合物基体108的纳米结构或微米结构106。用作原材料的石墨烯层可以从商业来源得到或根据常规方法制备。在优选的实施方案中，石墨烯层是氧化石墨烯层。
a.纳米结构和微米结构形状和材料
纳米结构或微米结构可以根据常规方法制备(例如使用醇或其他还原方法制备的金属氧化物纳米结构或微米结构)或通过商业供应商购买。可以使用的纳米结构或微米结构的非限制性实例包括具有各种形状和/或由各种材料制备的结构。举例来说，纳米结构可以具有线、颗粒(例如具有基本上球形的形状)、棒、四脚体、超支化结构、管、立方体或其混合物的形状。在具体的情况下，纳米结构是基本上为球形的纳米颗粒。所期望形状的选择具有调节或改变石墨烯材料功能的能力。可以使用的纳米结构或微米结构材料的非限制性实例包括金属、金属氧化物、硅化合物、基于碳的化合物(例如单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)、金属有机骨架化合物、沸石咪唑酯骨架化合物、共价有机骨架化合物、沸石或其任意组合。
金属的非限制性实例包括贵金属、过渡金属、或其任意组合或任意合金。贵金属包括钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、锇(Os)、铱(Ir)、或其任意组合或合金。过渡金属包括铁(银(Ag)，Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)或锡(Sn)、或其任意组合或合金。在某些实施方案中，纳米结构或微米结构包括1种、2种、3种、4种、5种、6种或更多种过渡金属和/或1种、2种、3种、4种或更多种贵金属。金属可以从金属前体化合物得到。例如，金属可以作为金属硝酸盐、金属胺、金属氯化物、金属配位化合物、金属硫酸盐、金属磷酸盐水合物、金属络合物或其任何组合得到。金属前体化合物的实例包括六水合硝酸镍、氯化镍、六水合硝酸钴、六水合氯化钴、七水合硫酸钴、磷酸钴水合物、氯化铂(IV)、六氯铂(IV)酸铵、六氯铂(IV)酸钠六水合物、六氯铂(IV)酸钾或氯铂酸六水合物。这些金属或金属化合物可以从任意化学供应商购买，例如Sigma-Aldrich(圣路易斯，密苏里州，美国)、Alfa-Aeaser(沃德希尔，马萨诸塞州，美国)和Strem Chemicals(纽柏立波特，马萨诸塞州，美国)。金属氧化物包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、二氧化锗(GeO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化镓(Ga2O3)、氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化镧(La2O3)、二氧化铈(CeO2)、或其任意组合或合金。可以添加表面活性剂(例如CTAB，PVP等)和/或通过可控的表面电荷来稳定金属或金属氧化物纳米结构或微米结构。
MOF是具有与有机分子配位的金属离子或簇以形成可以是多孔的一维、二维或三维结构的化合物。通常，可以使用例如化学改性或结构改性的方法来调节用于特定应用的MOF的性质。用于化学改性MOF的一种方法是使用具有用于后合成修饰的侧链官能团的连接基团。或包含适当官能团或可以以本文描述的方式官能化的任何MOF可以用于公开的碳纳米管。实例包括但不限于IRMOF-3、MOF-69A、MOF-69B、MOF-69C、MOF-70、MOF-71、MOF-73、MOF-74、MOF-75、MOF-76、MOF-77、MOF-78、MOF-79、MOF-80、DMOF-1-NH2、UMCM-1-NH2和MOF-69-80。沸石有机骨架的非限制性实例包括沸石咪唑酯骨架(ZIF)化合物，例如ZIF-1、ZIF-2、ZIF-3、ZIF-4、ZIF-5、ZIF-6、ZIF-7、ZIF-8、ZIF-9、ZIF-10、ZIF-11、ZIF-12、ZIF-14、ZIF-60、ZIF-62、ZIF-64、ZIF-65、ZIF-67、ZIF-68、ZIF-69、ZIF-70、ZIF-71、ZIF-72、ZIF-73、ZIF-74、ZIF-75、ZIF-76、ZIF-77、ZIF-78、ZIF-79、ZIF-80、ZIF-81、ZIF-82、ZIF-86、ZIF-90、ZIF-91、ZIF-92、ZIF-93、ZIF-95、ZIF-96、ZIF-97、ZIF-100和杂化ZIF，例如ZIF-7-8、ZIF-8-90。共价有机骨架(COF)是具有高表面积、低密度和经设计的结构的周期性二维和三维(2D和3D)聚合物网络。COF是多孔和结晶的并且完全由轻元素(H、B、C、N和O)制成。COF的非限制性实例包括COF-1、COF-102、COF-103、PPy-COF 3COF-102-C12、COF-102-烯丙基、COF-5、COF-105、COF-108、COF-6、COF-8、COF-10、 TP-COF 3、Pc-PBBA、NiPc-PBBA、2D-NiPc-BTDA COF、NiPc COF、BTP-COF、HHTP-DPB、COF-66、ZnPc-Py、ZnPc-DPB COF、ZnPc-NDI COF、ZnPc-PPE COF、CTC-COF、H2P-COF、ZnP-COF、CuP-COF、COF-202、CTF-1、CTF-2、COF-300、COF-LZU、COF-366、COF-42和COF-43。沸石的非限制性实例包括Y-沸石、β沸石、丝光沸石、ZSM-5沸石和镁碱沸石。沸石可以从商业制造商例如Zeolyst(福吉谷，宾夕法尼亚州，美国)得到。
在一些实施方案中，纳米结构或微米结构106是颗粒。核纳米结构或微米结构106的直径可以为1nm至5000nm、1nm至1000nm、10nm至100nm、或1nm至50nm、或1nm至5nm、或1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm、1000nm，或其中任意范围或任意值。
除此以外，多层石墨烯材料中的纳米结构或微米结构(例如纳米颗粒)的量取决于多层石墨烯材料的用途。在具体的情况下，多层石墨烯材料可以包含10重量％至90重量％、20重量％至80重量％、30重量％至70重量％、40重量％至60重量％或之间任意范围或值的纳米结构或微米结构。在使用多层石墨烯材料的实施方案中，如在催化应用中，存在于纳米结构颗粒中的催化金属的量为每100重量份多层石墨烯材料0.01重量份至100重量份“活性”催化剂结构，每100重量份多层石墨烯材料0.01重量份至5重量份“活性”催化剂结构。如果使用多于一种催化金属，一种金属的摩尔百分比可以是多层石墨烯材料中的催化金属总摩尔的1摩尔％至99摩尔％。
b.聚合物基体
聚合物基体可以由任何聚合物制得。聚合物可由商业供应商提供或根据常规化学反应制得。在一些实施方案中，聚合物是热固性聚合物或其共混物。聚合物基体可以由具有热塑性聚合物的组合物制得，还可以包含可以添加到组合物中的其他非热塑性聚合物、添加剂等。
热固性聚合物基体被固化或变得交联，在升高的温度下趋于失去变得柔韧或可模塑的能力。用于制备聚合物膜的热固性聚合物的非限制性实例包括环氧树脂、环氧乙烯基酯、醇酸树脂、基于氨基的聚合物(例如聚氨酯、脲醛)、邻苯二甲酸二烯丙酯、酚醛聚合物、聚酯、不饱和聚酯树脂、二环戊二烯、聚酰亚胺、硅聚合物、聚氰脲酸酯的氰酸酯、热固性聚丙烯酸树脂、酚甲醛树脂(胶木)、纤维增强的酚醛树脂(Duroplast)、苯并噁嗪或其共聚物、或其共混物。除了这些，本领域技术人员已知的其他热固性聚合物和在下文中研发的那些也可以用于本发明的上下文中。热固性聚合物可以包含在组合物中，该组合物包括所述聚合物和添加剂。添加剂的非限制实例包括偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂、流动改性剂等、或其任意组合。在一些实施方案中，使用了当暴露于热、光或电磁力时能够聚合的一种或更多种单体。这种单体可以是适于形成热固性聚合物的前体材料。聚合物和/或单体可由商业供应商获得或根据常规化学反应制得。
热塑性聚合物基体具有在特定温度以上变得柔韧或可模塑的、并在该温度以下凝固的能力。该材料的聚合物基体可以包括本申请全文中讨论的热塑性或热固性聚合物、其共聚物及其共混物。热塑性聚合物的非限制实例包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)家族的聚合物、对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸环己酯(PCTG)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)及其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚对苯二甲酸环己烷二甲酯(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、聚砜磺酸酯(PSS)、聚砜的磺酸盐、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、其共聚合物或其共混物。除了这些，本领域技术人员已知的其他热塑性聚合物和在下文中研发的那些也可以用于本发明的上下文中。在本发明的一些方面，优选的热塑性聚合物包括聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯(PC)家族的聚合物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚(PPO)、聚醚酰亚胺、聚乙烯、其共聚合物或其共混物。在更优选的方面，热塑性聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯(PC)家族的聚合物、其共聚合物或其共混物。热塑性聚合物可以包含在组合物中，该组合物包含所述聚合物和添加剂。添加剂的非限制性的实例包括偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂、流动改性剂、着色剂等、或其任意组合。
在步骤2中，可以将氧化石墨烯层102和复合材料104悬浮在水介质和/或非水介质中，然后将其真空过滤以将多个纳米结构或微米结构复合材料插入到单个氧化石墨烯层110之间以形成插入的石墨烯材料112。插入的石墨烯材料112包含分散在石墨烯层之间的多个氧化石墨烯层110和复合材料104(例如核)。两个氧化石墨烯层110围绕复合材料104形成壳状材料，由此形成核壳型结构。复合材料104可以完全或基本上完全与石墨烯层110接触。在一些实施方案中，复合材料104的50％至100％、50％至99％、60％至95％、或50％、60％、70％、80％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.1％、99.2％、99.3％、99.4％、99.5％、99.6％、99.7％、99.8％、99.9％或其中任意范围或任意值的表面与石墨烯层110接触。
在步骤3中，可以将插入的石墨烯材料112在空气和/或惰性气体的存在下加热(例如煅烧)以除去包封纳米结构或微米结构106的聚合物基体108，将纳米结构或微米结构106转化成其氧化物形式，和/或将氧化石墨烯层110转化为经还原的氧化石墨烯层116并形成石墨烯材料118。热处理(例如煅烧)的温度可以为500℃至1000℃、700℃至900℃、或500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃、725℃、750℃、775℃、800℃、825℃、850℃、875℃或900℃、或之间任意范围或值。去除聚合物基体108形成在经还原的石墨烯层116和纳米结构或微米结构106之间的空隙空间114。在煅烧过程中已经被去涂覆的多个纳米结构或微米结构106位于空隙空间114中并且位于两个经还原的石墨烯层116之间，从而形成多蛋黄/蛋壳状结构118。在煅烧后，可以将形成的石墨烯材料118冷却至环境温度，然后将其包装以销售或分配、储存、用于其他工艺或应用中，形成片或膜或其任意组合。
c.多纳米结构或微米结构蛋黄/多石墨烯层壳型结构
多层石墨烯材料118包含空隙空间114，且每个空隙114包含多个纳米结构或微米结构106或“多蛋黄”。如图1所示，石墨烯材料118的每个空隙空间114包含3个纳米结构或微米结构蛋黄，然而，应理解的是，每个空隙空间可以包含2个、3个、4个、5个或更多个纳米结构或微米结构蛋黄。每个空隙空间的平均容积可以是5nm3至1000000nm3(106μm3)或10nm3至105μm3、100nm3至104μm3、或之间任意范围。纳米结构或微米结构106可以占据小于50％、40％、30％、或20％的每个空隙空间的容积(例如49％、48％、47％、46％、45％、44％、43％、42％、41％、40％、39％、38％、37％、36％、35％、34％、33％、32％、31％、30％、29％、28％、27％、26％、25％、24％、23％、22％、21％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％或更小)。空隙空间可以具有足以允许纳米结构或微米结构的体积膨胀而不使石墨烯壳变形的容积。在一些情况下，空隙空间可以具有足以允许至少一个纳米结构或微米结构106的至少50％，优选200％至600％、或50％至550％、100％至500％、250％至450％、或之间任意值(例如50％、75％、100％、125％、150％、175％、200％、225％、250％、275％、300％、325％、350％、375％、400％、425％、450％、475％、500％、525％、550％、575％、600％)的体积膨胀而不使石墨烯层116(壳)变形的容积。在一些情况下，石墨烯材料具有1×10-9mol m-2s-1Pa至1×10-4mol m-2s-1Pa的流通量。
2.纳米结构或微米结构蛋黄/多石墨烯层壳型结构的制备
关于图2，方法100的步骤1可以包括获得如下文描述的多个氧化石墨烯层102和多个纳米结构或微米结构106。如图所示，纳米结构或微米结构106是负载另一种金属202的颗粒，然而，纳米结构或微米结构106可以是单一结构、核壳、蛋黄-蛋壳型结构等。在步骤2中，可以将氧化石墨烯层102和纳米结构或微米结构106悬浮在水介质和/或非水介质中，然后将其真空过滤以将多个纳米结构或微米结构106插入到单个氧化石墨烯层110之间以形成插入的石墨烯材料204。插入的石墨烯材料204包含分散在石墨烯层之间的多个氧化石墨烯层110和纳米结构或微米结构106。两个氧化石墨烯层110围绕纳米结构或微米结构106形成壳状材料。纳米结构或微米结构106可以完全或基本上完全与石墨烯层110接触。在一些实施方案中，纳米结构或微米结构106表面的50％至100％、50％至99％、60％至95％、或50％、60％、70％、80％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.1％、99.2％、99.3％、99.4％、99.5％、99.6％、99.7％、99.8％、99.9％或其中任意范围或值与石墨烯层110接触。
在步骤3中，可以将插入的石墨烯材料204在空气和/或惰性气体的存在下加热(例如在空气中煅烧)以除去聚合物，将纳米结构或微米结构106转化成其氧化物形式和/或将氧化石墨烯还原为经还原的氧化石墨烯。煅烧温度可以为500℃至1000℃、700℃至900℃、或500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃、725℃、750℃、775℃、800℃、825℃、850℃、875℃或900℃、或之间任意范围或值。
在步骤4中，可以将经煅烧的石墨烯材料经受去除纳米结构或微米结构106外表面或壳的一部分以形成空隙空间114的工艺。空隙空间可以具有足以允许纳米结构或微米结构的体积膨胀而不使石墨烯壳变形的容积。在一些情况下，空隙空间可以具有足以允许至少一个纳米结构或微米结构106的至少50％，优选200％至600％、或50％至550％、100％至500％、250％至450％、或之间任意值(例如50％、75％、100％、125％、150％、175％、200％、225％、250％、275％、300％、325％、350％、375％、400％、425％、450％、475％、500％、525％、550％、575％、600％)的体积膨胀而不使石墨烯层116(壳)变形的容积。在一些情况下，当纳米结构或微米结构106是核/壳型结构时，在去除纳米结构或微米结构106外表面的一部分期间形成蛋黄/蛋壳纳米结构或微米结构。举例来说，经煅烧的石墨烯材料可以与蚀刻溶液接触(例如浸入10重量％的HF水溶液中)期望的时间(例如5分钟至30分钟)以部分去除纳米结构或微米结构106外表面的一部分或全部以形成空隙空间114。可以确定蚀刻时间、蚀刻浓度或蚀刻剂种类或其组合以得到空隙空间的期望容积或特定蛋黄/蛋壳纳米结构或微米结构。可以使用的蚀刻剂的非限制性实例包括氢氟酸(HF)、氟化铵(NH4F)、氟化铵的酸性盐(NH4HF2)、氢氧化钠(NaOH)、硝酸(HNO3)、盐酸(HCl)、氢碘酸(HI)、氢溴酸(HBr)、三氟化硼(BF3)、硫酸(H2SO4)、乙酸(CH3COOH)、甲酸(HCOOH)或其任意组合。在某个实施方案中，可以使用HF、NH4F、NH4HF2、NaOH或其任何组合(例如在从纳米结构表面去除二氧化硅涂层的情况下)。在一些实施方案中，可以使用HNO3、HCl、HI、HBr、BF3、H2SO4、CH3COOH、HCOOH或其任意组合(例如，从纳米结构表面去除氧化铝涂层)。在另一个实施方案中，除了上述酸之外，可以添加用于Al3+的螯合剂(例如EDTA)作为加快氧化铝蚀刻的助剂。具有金属负载202的每个经蚀刻的纳米结构或微米结构106位于两个经还原的石墨烯层114之间所产生的空隙空间114中，从而形成蛋黄-蛋壳状结构。
a.纳米结构或微米结构的蛋黄/多石墨烯层壳型结构
多层石墨烯材料206包含空隙空间114，且每个空隙空间114包含单个纳米结构或微米结构106或“蛋黄”。每个空隙空间的平均容积可以是5nm3至1000000nm3(106μm3)或10nm3至105μm3、100nm3至104μm3或之间任意范围。纳米结构或微米结构106可以占据每个空隙空间114小于50％、40％、30％或20％的容积。空隙空间可以具有足以允许纳米结构或微米结构的体积膨胀而不使石墨烯壳变形的容积。在一些情况下，空隙空间可以具有足以允许至少一个纳米结构或微米结构体积膨胀至少50％、优选200％至600％而不使石墨烯层116(壳)变形的容积。在一些情况下，石墨烯材料具有1×10-9mol m-2s-1Pa至1×10-4mol m-2s-1Pa的流通量。
B.多层石墨烯材料的制品和应用
多层石墨烯材料118和206可以包含在制品中，制成片、薄膜或并入膜中。片或薄膜可以具有10nm至500μm的厚度。该制品可以包括电子装置、气体分离膜或液体分离膜、用于催化化学反应的催化膜、催化剂材料、控释介质、传感器、结构部件、储能装置、气体捕集或储存材料、或燃料电池。在具体的情况下，将本发明的多层石墨烯材料用于储能装置中。储能装置的非限制性实例包括可充电电池(例如锂离子电池或锂硫电池)。在一些情况下，具有电活性纳米结构或微米结构的多层石墨烯材料可以包含在锂电池的电极中。例如，当阳极中包含硅时，具有电活性纳米结构或微米结构的多层石墨烯材料可以包含在锂离子电池的阳极中。当电池充电时，锂离子被吸引到插入到经还原的石墨烯层116的电活性纳米结构或微米结构(例如硅)。锂离子可以静电附着于电活性纳米结构或微米结构并形成锂化的电活性纳米结构或微米结构。由于锂化，锂化的电活性纳米结构或微米结构的体积与未锂化的纳米结构或微米结构相比是增加的。由于纳米结构或微米结构位于3维空隙空间中，其具有足够的空间膨胀，而多层石墨烯材料的总体积基本保持不变。例如，多层石墨烯材料的体积在锂化或充电时可以在多层石墨烯材料未锂化或未充电时体积的10％、5％、4％、3％、2％、1％以内或更少。
在一些情况下，多层石墨烯材料118和206或包含多层石墨烯材料的膜可以用于各种化学反应中。化学反应的非限制性实例包括甲烷的氧化偶联反应、氢化反应、烃裂解反应、烷基化反应、脱氮反应、脱硫反应、费托反应、合成气生产反应、三元机动车催化反应、重整反应、氢生成反应。
用于制备本发明的多层石墨烯材料118和206的方法可以根据期望修改或改变以设计或调整空隙空间的尺寸、选择含催化金属的颗粒、石墨烯层中的纳米结构或微米结构的分散体、石墨烯材料的孔隙度和孔径等，以设计制品、储能装置或其它装置，或用于特定化学反应的催化剂。
实施例
通过具体实施例会更详细地描述本发明。以下实施例仅出于举例说明目的提供，不旨在以任何方式限制本发明。
仪器.由Bruker D8Advance X射线衍射仪(Bruker Instruments，美国)，在40kV和40mA下用CuKα辐射λ＝0.154056nm测量粉末X射线衍射(XRD)谱图。扫描电子显微镜(SEM)图像和能量色散X射线光谱(EDX)通过FEI Quanta 600FEG(FEI公司，美国)进行。使用NICOLET-6700FT-IR光谱仪(Nicolet Instrument Corporation，美国)获得傅里叶变换红外光谱(FT-IR)。通过在碳涂覆的铜网上蒸发一滴纳米颗粒的乙醇分散体，然后在120kV下操作Tecnai Twin TEM(FEI公司，美国)进行测量，获得透射电子显微镜(TEM)图像。
实施例1
(氧化石墨烯(GO)的合成和表征)
按照Hummers法(Hummers等人,J.Am.Chem.Soc.,1958,80,1339-1339)进行石墨的氧化。在典型的步骤中，将KNO3(12g)和石墨(10g)在搅拌下添加到浓H2SO4(98％，500mL)中。10分钟后，缓慢添加KMnO4(60g)。然后将混合物加热至35℃并搅拌6小时。然后在剧烈搅拌下滴加水(800mL)，导致温度快速升高至约80℃。将浆液在80℃下再搅拌30分钟。之后，依次添加水(2L)和H2O2(30％，60mL)以溶解不溶性锰物质。产生的氧化石墨悬浮液通过大量的水反复洗涤，直到溶液pH达到约4.0的恒定值，最后用水(600mL)进一步稀释悬浮液。将稀释的氧化石墨悬浮液(200mL)转移到锥形容器中，并将悬浮液在机械振动器中以160rpm的速度轻微振动约6小时。为了除去少量未脱落的颗粒，将产生的黏性悬浮液以2000rpm离心10分钟，产生棕色均匀的GO片胶体悬浮液。必要时，将胶体悬浮液通过8000rpm下的离心进一步浓缩。
图3显示合成的氧化石墨烯的TEM图像。图4显示GO粉末的FT-IR光谱。在3453cm-1处的伸缩振动指氧化石墨烯的-OH伸缩。在2920cm-1和2847cm-1处的振动带归因于烷烃(-CH2)伸缩。在1724cm-1处的吸收带对应于来自羰基或共轭羰基的羰基(C＝O)伸缩。在1623cm-1处的带被指认为是碳碳双键(C＝C)伸缩。在1220cm-1和1074cm-1处的吸收峰分别认为是来自环氧或醚官能团的碳-氧-碳伸缩(C-O-C)和来自烷氧基官能团的碳-氧伸缩(C-O)。这些结果与文献报道一致。图5显示石墨粉末(a)和GO(b)的相结构的XRD图谱。石墨粉末(a)在26.5度(a)处呈现尖锐峰。相反，GO粉末(b)在11.3度处显示特征性宽峰。
实施例2
(Si@SiO2核-壳颗粒的合成和表征)
将硅粉末(0.5g，100nm，美国)分散在乙醇(200mL)中，然后与铵水溶液(25％，6mL和20mL水)混合。将乙醇(20mL)中的原硅酸四乙酯(TEOS)(30mL)滴加到混合物中，然后搅拌3天。产生的颗粒通过离心纯化并用乙醇洗涤(3次)。在80℃的真空下干燥后，得到Si@SiO2核-壳颗粒的黄色粉末。
图6显示用于制备核-壳结构的硅粉末的SEM图像。图7是本实施例中合成的Si@SiO2核-壳颗粒的SEM图像。EDX用于分析Si@SiO2颗粒的成分。选择白色方形区域进行分析(图8)。从EDX结果(图9)可知，Si/SiO2的比为0.42。
实施例3
(Si@SiO2/经还原的氧化石墨烯复合核-壳膜(Si@SiO2/rGO)的合成和表征)
将Si@SiO2颗粒(0.1g，实施例2)和氧化石墨烯(0.2g，实施例1)使用SonicDismembrator(Fisher Scientific，Model 550)分散在H2O中(20mL)，然后通过真空过滤以形成膜。然后将膜夹在石墨板之间并装载到管式炉中。用氩气吹扫管后，将膜以2℃/分钟从室温加热至100℃并保持30分钟，以2℃/分钟加热至200℃并保持30分钟，以5℃/分钟加热至800℃并保持1小时，然后在氩气下冷却至室温。
图10和图11是Si@SiO2/rGO膜的横截部分的SEM图像。观察到层状石墨烯膜(箭头rGO)和包封的Si@SiO2(虚线圆圈)。图像上的虚线圆圈用于突出层状石墨烯膜中的一些包封的Si@SiO2。图12是用于EDX分析而制备的Si@SiO2/rGO膜的SEM图像。选择正方形内的部分进行EDX分析。从EDX结果(图13)可知，确定该膜由碳、氧和硅元素组成。
实施例4
(Si/经还原的氧化石墨烯复合蛋黄-蛋壳膜(Si/rGO)的合成和表征)
将实施例3的Si@SiO2/rGO膜浸入10％的氟化氢(HF)中1小时，然后用水洗涤直至获得中性pH。
图14和图15是Si/rGO蛋黄/蛋壳膜的横断面的SEM图像。从SEM图像中，观察到鼓泡的石墨烯壳。该膜具有81.45μm的厚度。图16是用于EDX分析的Si/rGO蛋黄/蛋壳膜的SEM图像。EDX结果(图17)与图13相比，确定硅和氧原子的含量降低。不希望受理论约束，应认为该降低是由于SiO2被HF蚀刻。此外，O原子损失约为Si的六倍，这意味着大多数O原子损失来自氧化石墨烯。图18显示收集的Si/rGO蛋黄-蛋壳膜的元素分布图。从这些图可以看出，确定C、O和Si原子均匀地分布在Si/rGO蛋黄-蛋壳膜中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种多层石墨烯材料，其包含多个石墨烯层，所述石墨烯层具有形成多个蛋黄/蛋壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构，每个蛋黄/蛋壳型结构都包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，所述壳状结构包围具有多个纳米结构或微米结构中的至少一个的空隙空间，其中所述空隙空间具有足以允许所述多个纳米结构或微米结构中的至少一个的体积膨胀而不使壳状结构变形的容积。
2.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述空隙空间具有足以允许多个纳米结构或微米结构中的至少一个的至少50％体积膨胀、优选200％至600％体积膨胀，而不使壳状结构变形的容积。
3.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述多个蛋黄-蛋壳型结构中的每一个都包围单个纳米结构或微米结构或者至少两个纳米结构或微米结构。
4.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述纳米结构或微米结构占据每个空隙空间容积的1％至80％或30％至60％。
5.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中每个空隙空间的平均容积为5nm3至106μm3。
6.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述多个蛋黄-蛋壳型结构被配置为使流体、气体或离子能够进入和离开所述结构。
7.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述材料具有1×10-9mol m-2s-1Pa至1×10-4mol m-2s-1Pa的流通量。
8.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述多个蛋黄-蛋壳型结构被配置为使所述多个纳米结构或微米结构保持在所述空隙空间中。
9.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述石墨烯层是经还原的氧化石墨烯层。
10.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述纳米结构或微米结构包含硅或其氧化物或合金。
11.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述纳米结构或微米结构包含金属、金属氧化物、基于碳的纳米结构或微米结构、金属有机骨架、沸石咪唑酯骨架、共价有机骨架或其任意组合。
12.根据权利要求11所述的多层石墨烯材料，其中所述金属是选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、或铱(Ir)、锇(Os)、其任意组合或合金的贵金属，或选自银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、或锡(Sn)、或其任意组合或其氧化物或合金的过渡金属。
13.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中每个纳米结构或微米结构都具有1nm至1000nm、优选1nm至50nm、或更优选1nm至5nm的直径。
14.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述材料是片或膜的形式，其中所述片或膜具有10nm至500μm的厚度。
15.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述材料包含10重量％至90重量％的多个纳米结构或微米结构。
16.一种储能装置，其包含根据权利要求1所述的多层石墨烯材料。
17.根据权利要求16所述的储能装置，其中所述储能装置是可充电电池。
18.一种用于催化化学反应的催化膜，所述膜包含根据权利要求1所述的多层石墨烯材料。
19.一种制备根据权利要求1所述的多层石墨烯材料的方法，所述方法包括：
(a)获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，所述氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的复合纳米结构或微米结构，每个核/壳型结构都包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，所述壳状结构包围多个复合纳米结构或微米结构中的至少一个，其中所述复合纳米结构或微米结构包含可除去的聚合物基体；和
(b)煅烧所述组合物，以将所述氧化石墨烯层还原为石墨烯层和除去所述聚合物基体，以制备根据权利要求1所述的多层石墨烯材料。
20.一种制备根据权利要求1所述的多层石墨烯材料的方法，所述方法包括：
(a)获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，所述氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构，每个核/壳型结构都包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，所述壳状结构包围所述多个插入的纳米结构或微米结构中的至少一个纳米结构或微米结构；
(b)煅烧组合物以将所述氧化石墨烯层还原为石墨烯层；和
(c)部分蚀刻掉所述多个插入的纳米结构或微米结构以制备根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中多个纳米结构或微米结构的部分蚀刻将所述核/壳型结构转化为蛋黄/蛋壳型结构，所述蛋黄/蛋壳型结构包围具有至少一个纳米结构或微米结构的空隙空间，其中所述空隙空间具有足以允许所述至少一个纳米结构或微米结构的体积膨胀而不使所述壳状结构变形的容积。

Claims (20)

1.一种多层石墨烯材料，其包含多个石墨烯层，所述石墨烯层具有形成多个蛋黄/蛋壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构，每个蛋黄/蛋壳型结构都包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，所述壳状结构包围具有多个纳米结构或微米结构中的至少一个的空隙空间，其中所述空隙空间具有足以允许所述多个纳米结构或微米结构中的至少一个的体积膨胀而不使壳状结构变形的容积。
2.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述空隙空间具有足以允许多个纳米结构或微米结构中的至少一个的至少50％体积膨胀、优选200％至600％体积膨胀，而不使壳状结构变形的容积。
3.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述多个蛋黄-蛋壳型结构中的每一个都包围单个纳米结构或微米结构或者至少两个纳米结构或微米结构。
4.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述纳米结构或微米结构占据每个空隙空间容积的1％至80％或30％至60％。
5.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中每个空隙空间的平均容积为5nm3至106μm3。
6.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述多个蛋黄-蛋壳型结构被配置为使流体、气体或离子能够进入和离开所述结构。
7.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述材料具有1×10-9mol m-2s-1Pa至1×10-4mol m-2s-1Pa的流通量。
8.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述多个蛋黄-蛋壳型结构被配置为使所述多个纳米结构或微米结构保持在所述空隙空间中。
9.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述石墨烯层是经还原的氧化石墨烯层。
10.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述纳米结构或微米结构包含硅或其氧化物或合金。
11.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述纳米结构或微米结构包含金属、金属氧化物、基于碳的纳米结构或微米结构、金属有机骨架、沸石咪唑酯骨架、共价有机骨架或其任意组合。
12.根据权利要求11所述的多层石墨烯材料，其中所述金属是选自钯(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铼(Re)、或铱(Ir)、锇(Os)、其任意组合或合金的贵金属，或选自银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、或锡(Sn)、或其任意组合或其氧化物或合金的过渡金属。
13.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中每个纳米结构或微米结构都具有1nm至1000nm、优选1nm至50nm、或更优选1nm至5nm的直径。
14.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述材料是片或膜的形式，其中所述片或膜具有10nm至500μm的厚度。
15.根据权利要求1所述的多层石墨烯材料，其中所述材料包含10重量％至90重量％的多个纳米结构或微米结构。
16.一种储能装置，其包含根据权利要求1所述的多层石墨烯材料。
17.根据权利要求16所述的储能装置，其中所述储能装置是可充电电池。
18.一种用于催化化学反应的催化膜，所述膜包含根据权利要求1所述的多层石墨烯材料。
19.一种制备根据权利要求1所述的多层石墨烯材料的方法，所述方法包括：
(a)获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，所述氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的复合纳米结构或微米结构，每个核/壳型结构都包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，所述壳状结构包围多个复合纳米结构或微米结构中的至少一个，其中所述复合纳米结构或微米结构包含可除去的聚合物基体；和
(b)煅烧所述组合物，以将所述氧化石墨烯层还原为石墨烯层和除去所述聚合物基体，以制备根据权利要求1所述的多层石墨烯材料。
20.一种制备根据权利要求1所述的多层石墨烯材料的方法，所述方法包括：
(a)获得包含多个氧化石墨烯层的组合物，所述氧化石墨烯层具有形成多个核/壳型结构的多个插入的纳米结构或微米结构，每个核/壳型结构都包含形成壳状结构的至少两个石墨烯层，所述壳状结构包围所述多个插入的纳米结构或微米结构中的至少一个纳米结构或微米结构；
(b)煅烧组合物以将所述氧化石墨烯层还原为石墨烯层；和
(c)部分蚀刻掉所述多个插入的纳米结构或微米结构以制备根据权利要求1至19中任一项所述的多层石墨烯材料，其中多个纳米结构或微米结构的部分蚀刻将所述核/壳型结构转化为蛋黄/蛋壳型结构，所述蛋黄/蛋壳型结构包围具有至少一个纳米结构或微米结构的空隙空间，其中所述空隙空间具有足以允许所述至少一个纳米结构或微米结构的体积膨胀而不使所述壳状结构变形的容积。
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