[发明专利]氧化或还原石墨烯基网格材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型碳材料及其制备方法，特别涉及一种石墨烯基网格材料及其工业化制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）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。石墨烯不仅是世上最薄强度最大的纳米材料，它还具有众多优异性能，如超高透光度（只吸收2.3%）；高导热性（5300W/m·K），高常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，导电导热性均高于碳纳米管和金刚石，而且电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。

氧化或还原石墨烯纸[Graphene(oxide)paper]是由单层或是多层氧化或还原石墨烯逐层堆积自组装而制备得到的二维宏观石墨烯新材料。氧化或还原石墨烯纸的厚度比纸薄，质量轻强度高，且具有优秀的柔韧性，以及环保和可再生。鉴于石墨烯纸质轻强度大的特性，该材料可以用来取代传统的钢材和铝材，有望在汽车制造和航空工业领域首先获得应用。相比传统的飞机和汽车，用这种新材料制成的汽车和飞机重量轻强度高，因而可以直接实现节能减排，而且强度更高、更安全，同时也大大降低了未来新能源电动或混合动力汽车的设计推广对动力电源的功率及能量密度的要求。

同时，由于其优异导电和导热性能，以及特殊的纳米结构和表面界面特性，石墨烯及其与过度金属化合物的复合纸在能源存储和转换领域的应用一直以来都是石墨烯领域研究的重点之一。例如美国伦斯勒理工学院的研究人员将经过激光或照相机闪光灯的闪光处理的石墨烯纸作锂离子电池的阳极材料，由于其独特的孔洞结构给电解质润湿及锂离子迁移提供了高速通道，因而其电化学性能相比普遍使用的石墨阳极充电或放电速度快10倍，未来可驱动电动车。除此之外，石墨烯与Sn或SnO_x，Si，Ge等组成的复合石墨烯纸具有更高的锂离子存储容量，相比于纯金属及其氧化物而言，复合石墨烯纸具备更加优异的循环性能和更高的体积能量密度和安全性能。石墨烯复合纸也被广泛得应该用在电化学超级电容器领域。

由于氧化或还原石墨烯纸拥有特殊的高密度和高强度的层状纳米结构以及由此衍生的特殊力学、物理化学性能，因而氧化或还原石墨烯纸具有广阔的应用前景，但其高密度层状纳米结构所导致的超低有效电化学活性比表面积和不可渗透性同样也是制约其在二次可充电电池和超级电容器等能源存储和作为二维增强相制备高性能复合材料等领域的大规模实际应用的关键壁垒之一。现有专利文献也主要是针对氧化或还原石墨烯及其薄膜的制备和改性的新工艺，以石墨烯作为导电添加剂制备各种功能性的复合材料，在超低有效电化学活性比表面积和不可渗透性方面难以解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有效电化学活性比表面积大、利用率高、且可渗透的氧化或还原石墨烯基网格材料，同时还提供其工业化的低成本生产方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化或还原石墨烯基网格材料，在石墨烯基宏观材料上分布有多个网格；所述石墨烯基宏观材料的尺寸为：厚度：200nm–200μm，长度：2cm–20m，宽度：2cm–20m；所述网格尺寸：0.1mm-1mm；网格间距：1mm-5mm。

所述石墨烯基网格材料中，复合添加相为碳纳米材料，或为过渡金属或过渡金属化合物，或为纳米硅中的一种或多种，或为高分子纳米材料；复合添加相在氧化或还原石墨烯基纸中的含量为0到70wt%，当含量为0时为氧化或还原石墨烯组成的纯相网格材料。

所述网格形状为圆形，或椭圆形，或三角形，或多边形。

本发明还提供一种氧化或还原石墨烯基网格材料的制备方法，为制备方法A或者B；

所述方法A为：

采用真空过滤装置，其上有过滤漏斗，漏斗尺寸范围为：2cm×2cm～20m×20m，或者为直径为2cm或为～20m；所述过滤漏斗内设有双层滤纸，在所述双层滤纸上方设有制孔配件；所述制孔配件上设有不锈钢柱阵列，所述不锈钢柱阵列的钢柱间距：1-5mm，钢柱横截面形状为三角形或圆形或是多边形；钢柱横截面直径或边长尺寸范围：0.1mm-1mm；所述双层滤纸为纤维素定性滤纸及其表面沉积的100μm–1000μm厚的多孔碳膜；