[发明专利]三维多孔石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的修复，具体涉及一种中间相沥青修复氧化石墨烯，得到一种多级孔结构三维石墨烯的制备方法，用于减小石墨烯的界面电阻，提高石墨烯导电性能。

背景技术

石墨烯（graphene）是一种新型炭材料，具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，是构建其它维度碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元。石墨烯材料具有优异的电学性质，有望被用于制造新一代高性能电子学器件。去年，美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路，标志着向开发石墨烯计算机又迈进了一步。石墨烯还具有丰富的光学特性，是良好的透明导电薄膜。随着制造成本不断降低，石墨烯还有可能被应用于触摸屏、LED等器件的制造。

目前，石墨烯材料的制备方法与控制、结构与物性调控、器件加工与特性等问题，是研发的重要领域。其中，石墨烯的制备方法是我国研究人员关注的焦点。一般认为，石墨烯的制备目标应是用于电子器件的高质量石墨烯薄膜，以及用于化学储能领域的石墨烯大规模合成。石墨烯制备生长和物理特性等方面已取得一定进展，但石墨烯质量及结构控制性仍有待提高，特别是如何有效控制石墨烯的层数、形状、大小和边界等问题有待进一步深入研究。以水热法制备的三维石墨烯泡沫具有丰富的孔结构特征，其比表面积高，孔壁孔腔高度连通，为基体材料提供可复合填充的空间。但由于水热法还原得到的石墨烯片层结合不理想，导电性能较差，为了进一步提高石墨烯的电导率，促进石墨烯的实用化，有必要制备多孔结构的石墨烯材料。因此此类石墨烯的修复，对于提高石墨烯的质量和拓宽其应用领域具有重要意义。

石墨烯的修复材料应具有较好的兼容性。中间相沥青具有较高的活性、炭纯度和产炭率等特点，是制备高性能炭材料的基础。此外，作为制备高性能炭材料的前驱体原料，中间相沥青具有低灰分、中间相含量98～100%、适宜温度下粘度低、良好热稳定性、高氧化活性和高碳收率等优点。采用化学合成的芳香基(AR)中间相沥青比煤/石油沥青液相炭化合成的中间相沥青有更好的线性芳香环取向结构，最后形成的材料更容易石墨化，微晶尺寸发育也更完善，其物理化学性能更好。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人采用中间相沥青修复石墨烯，一方面中间相沥青具有较好的线性芳香环取向结构，有利于将氧化石墨烯片层连接起来，对于提高石墨烯的电学性能和力学性能十分有利；另一方面，将中间相沥青甲苯可溶物与氧化石墨烯水溶液混合，水热过程中具有造孔的作用，可大幅度提高石墨烯的比表面积。

在此，本发明提供一种三维多孔石墨烯的制备方法，包括：采用改性Hummers方法制备氧化石墨烯水溶液；混合所述氧化石墨烯水溶液和沥青的甲苯可溶物，于160～240℃，水热反应8～15小时，冷却、洗涤、干燥；以及将干燥后的样品在惰性气体的保护下，于900～1100℃热处理0.5～3小时，冷却、得到圆柱状固体三维多孔石墨烯。

本发明采用中间相沥青修复石墨烯制备三维多孔石墨烯，一方面中间相沥青具有较好的线性芳香环取向结构，有利于将氧化石墨烯片层连接起来；另一方面，将中间相沥青甲苯可溶物与氧化石墨烯水溶液混合，水热过程中具有造孔的作用。此外，三维石墨烯泡沫的孔径在亚微米至数百微米范围可调，孔率可达80%-95%，孔径和孔率可通过反应条件控制。该多孔结构石墨烯材料的制备方法工艺简单，过程易控制，极大减少了石墨烯界面电阻，材料导电性能优异。

较佳地，所述水热反应的温度可为200～240℃，水热反应时间可为12～15小时。

较佳地，所述氧化石墨烯水溶液的浓度可为2～5mg/ml，例如3mg/ml。

本发明的方法还可包括将中间相沥青粉末与甲苯按1g：30～50ml（例如1g：40ml）的比例混溶，在70～80℃（例如75℃）下搅拌热溶3～5小时（例如4小时），分离出所述的沥青的甲苯可溶物。

较佳地，所述氧化石墨烯水溶液和沥青的甲苯可溶物的体积比为1：（0.05～0.5）。

较佳地，所述惰性气体可为氩气。

较佳地，所述干燥可采用冷冻干燥。

附图说明

图1为本发明的方法的示意流程图；

图2A～2C为本发明的方法制得的示例三维多孔石墨烯的不同倍率SEM照片，其中，图2B为图2A中A部分的放大SEM照片，图2C为图2B中B部分的放大SEM照片；

图3为本发明的方法制得的示例石墨烯的宏观照片；

图4为一对比例制得的示例石墨烯的SEM照片；

图5为另一对比例制得的示例石墨烯的SEM照片。