CN107416798A - 一种硫化三维石墨烯的制备方法 - Google Patents

一种硫化三维石墨烯的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硫化三维石墨烯的制备方法，包括如下步骤：1）称取一定量的三维石墨，置于高压水平管式炉中，通入CH4‑H2S‑Ar的混合气体，气体压强2×105 Pa，管式炉升温至1050℃，在该温度下，三维石墨烯与气体反应5小时，在反应过程中，样品位置由325nm的紫外光照射。2）反应结束，继续通入CH4‑H2S‑Ar的混合气体，总压强降低为常压，自然冷却至室温，取出样品，即得硫化后的三维石墨烯。此方法制备得到的硫化三维石墨烯，硫化后的三维石墨烯为二维层状结构竖直排列，互相连接，呈现三维多孔结构，层状石墨烯厚度为10‑20nm，孔直径250‑1000nm，且分布均匀。本发明制备的硫化三维石墨烯，三维立体结构完好，尺寸均一，分布均匀。且制备方法步骤简单，易于大规模生产。

Description

一种硫化三维石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料领域，尤其是硫化三维石墨烯材料领域。
背景技术
石墨烯是具有石墨结构的单层碳原子，它自从2004 年首次被发现以来，便以其优异的性能和独特的结构而轰动整个科学界。石墨烯是一种由碳原子以sp2 杂化轨道组成的蜂窝状单层片状材料。在石墨烯上存在一个离域大π键，而且是长程的，这为其有良好的电化学性质奠定了基础。石墨烯独特的结构赋予其超凡的力学性质、热学性质以及电学性质。石墨烯是目前已知最坚硬的纳米材料；石墨烯的热导率约为5000 W/m·K；由于石墨烯的共轭的大π 键，其电学性能更能吸引人们的注意；它是目前已知电子迁移率最高的物质，是零带隙的半导体材料；石墨烯还能在常温条件下观测到霍尔效应，这一切特性都为其在电学中的应用奠定了基础；而且石墨烯具有超大的比表面积和电化学稳定性，将其作为基底与其他纳米材料的复合已经成为人们研究的热点。
石墨烯基材料结构独特，性能优异，在超级电容器领域具有极为广阔的应用前景。从理论上讲，石墨烯由于其极大的比表面积，超高的导电性以及超强的机械强度而被认为是理想的超级电容器电极材料。然而在实际应用中，仍需进行大量的研究工作以使这种有前途的材料变为真正实用的材料。对于在双电层电容器电极中的应用，石墨烯的高导电性和大比表面积是决定其电容性的两个关键因素。一系列有效的石墨烯制备方法，如化学还原，热还原，稳定剂改性，活化改性等被用来提高石墨烯的电导率或增加其比表面积。然而，实现石墨烯的单层状态，充分利用其比表面积目前仍然是一个严峻的挑战。因此，未来仍需努力发展更高效的制造技术以进一步提高的石墨烯的性能。
在众多的石墨烯基材料中，硫化石墨烯可望具有一些独特的性能，但目前这方面的报道依然有限，硫化的三维石墨烯报道更少。本专利提出一种硫化三维石墨烯的制备方法，无须复杂的化学步骤，仅仅经过特定工艺下的热处理即可实现，简单易行。
发明内容
本发明旨在发明一种简单易行的全新的硫化三维石墨烯的制备方法。
本发明提供了一种硫化三维石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
1）称取一定量的三维石墨，置于高压水平管式炉中，通入CH4-H2S-Ar的混合气体，气体压强2×105 Pa，其中CH4:H2S:Ar的分压比为(10-20):(50-60):30，管式炉升温至1050℃，在该温度下，三维石墨烯与气体反应5小时，在反应过程中，样品位置由325nm的紫外光照射；
2）反应结束后，继续通入CH4-H2S-Ar的混合气体，总压强降低为常压，自然冷却至室温，取出样品，即得硫化后的三维石墨烯。
采用上述制备方法制备得到的硫化三维石墨烯，硫化后的三维石墨烯为二维层状结构竖直排列，互相连接，呈现三维多孔结构，层状石墨烯厚度为10-20nm，孔直径250-1000nm，且分布均匀。
本发明的有益成果在于：
1）本发明制备的硫化三维石墨烯，保持了完好的三维立体结构，尺寸均一，分布均匀，材料结构性能优异。
2）本发明的制备方法，H2S为硫化的源气体，在高温高压下，S置换C进入石墨烯基体，或者S以化学键的形式结合在石墨烯的表面，形成硫化石墨烯；CH4为C元素的补充气体，可起到修复三维石墨烯基体的作用，从而保持完好的结构形貌；Ar为稀释气体，一方面保持反应安全，另一方面在紫外光照射的环境中也可增加反应的活性，加速反应的进行。
3）本发明的制备方法，步骤简单，易于大规模生产，可实现商业化。
附图说明
图1为实施例1）得到的硫化三维石墨烯的扫面电子显微镜（SEM）图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例和结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
1）称取一定量的三维石墨，置于高压水平管式炉中，通入CH4-H2S-Ar的混合气体，气体压强2×105 Pa，其中CH4:H2S:Ar的分压比为15:55:30，管式炉升温至1050℃，在该温度下，三维石墨烯与气体反应5小时，在反应过程中，样品位置由325nm的紫外光照射；
2）反应结束后，继续通入CH4-H2S-Ar的混合气体，总压强降低为常压，自然冷却至室温，取出样品，即得硫化后的三维石墨烯。
采用上述制备方法制备得到的硫化三维石墨烯，通过扫描电子显微镜对其微观形貌进行观察，如图1为本实施例制得的硫化三维石墨烯的扫面电子显微镜（SEM）图，图中显示：硫化后的三维石墨烯为二维层状结构竖直排列，互相连接，呈现三维多孔结构，层状石墨烯厚度为10-20nm，孔直径250-1000nm，且分布均匀。且通过附属在SEM中的EDX对本实施例制得的硫化三维石墨烯进行成分测试，表明本实施例制得的硫化三维石墨烯中的硫含量为4.5%。
实施例2
1）称取一定量的三维石墨，置于高压水平管式炉中，通入CH4-H2S-Ar的混合气体，气体压强2×105 Pa，其中CH4:H2S:Ar的分压比为10:60:30，管式炉升温至1050℃，在该温度下，三维石墨烯与气体反应5小时，在反应过程中，样品位置由325nm的紫外光照射；
2）反应结束后，继续通入CH4-H2S-Ar的混合气体，总压强降低为常压，自然冷却至室温，取出样品，即得硫化后的三维石墨烯。
采用上述制备方法制备得到的硫化三维石墨烯，通过扫描电子显微镜对其微观形貌进行观察，显示与实施例1制得硫化后的三维石墨烯基本相同的三维多孔微观结构。通过附属在SEM中的EDX对本实施例制得的硫化三维石墨烯进行成分测试，表明本实施例制得的硫化三维石墨烯中的硫含量为4.7%。
实施例3：
1）称取一定量的三维石墨，置于高压水平管式炉中，通入CH4-H2S-Ar的混合气体，气体压强2×105 Pa，其中CH4:H2S:Ar的分压比为20:50:30，管式炉升温至1050℃，在该温度下，三维石墨烯与气体反应5小时，在反应过程中，样品位置由325nm的紫外光照射；
2）反应结束后，继续通入CH4-H2S-Ar的混合气体，总压强降低为常压，自然冷却至室温，取出样品，即得硫化后的三维石墨烯。
采用上述制备方法制备得到的硫化三维石墨烯，通过扫描电子显微镜对其微观形貌进行观察，显示与实施例1制得硫化后的三维石墨烯类似的三维多孔微观结构。通过附属在SEM中的EDX对本实施例制得的硫化三维石墨烯进行成分测试，表明本实施例制得的硫化三维石墨烯中的硫含量为3.8%。
以上所述，将仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种硫化三维石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）称取一定量的三维石墨，置于高压水平管式炉中，通入CH4-H2S-Ar的混合气体，气体压强2×105 Pa，管式炉升温至1050℃，在该温度下，三维石墨烯与气体反应5小时；
2）反应结束后，继续通入CH4-H2S-Ar的混合气体，总压强降低为常压，自然冷却至室温，取出样品，即得硫化三维石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种硫化三维石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤1）中CH4-H2S-Ar的混合气体中，各气体CH4:H2S:Ar的分压比为10-20:50-60:30。
3.根据权利要求1或2所述的一种硫化三维石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤1）三维石墨烯与混合气体CH4-H2S-Ar反应的同时，样品位置由325nm的紫外光照射。
4.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法制得的一种硫化三维石墨烯，其特征在于：所述硫化三维石墨烯二维层状结构，石墨烯竖直排列，互相连接，呈现三维多孔结构，层状石墨烯厚度为10-20nm，孔直径250-1000nm，且分布均匀。
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