[发明专利]活化石墨烯材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源及相关材料技术领域，更详细地，涉及一种可用于锂离子电池、太阳能电池和超级电容器等储能器件中的活化石墨烯材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是近几年发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单层结构使其具有许多独特的物理化学性质，比如它的强度是已测试材料中最高的,达130GPa、载流子迁移率达(2×10⁵cm²·V^-1·s^-1)、巨大的比表面积(理论计算值2630m²·g^-1)、热导率(～5000W·m^-1·K^-1，)。石墨烯也是目前已知导电性能最出色的材料，其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。因此，石墨烯被广泛应用于锂离子电池、太阳能电池和超级电容器等储能器件中。但是，由于电子在石墨烯片中的传输局限在层状结构内，而片层之间由于存在范德华力而极易团聚，会使体相内的离子和电子通道减小，影响电子传输速率。为此提出了石墨烯的活化方法，使石墨烯表面产生大量纳米级微孔，被称为活化石墨稀(亦称多孔石墨烯)，它具有高于石墨烯的巨大比表面积和电导率。目前报道的活化石墨烯和其他碳材是采用高温下化学刻蚀的方法[1-3],常用化学活化剂是氢氧化钾(700-800℃)[1，2]和ZnCl₂(600℃)[3]，该方法对二维纳米结构的石墨烯来说，工艺过程较难控制，产品收率低，不容易得到均匀的纳米孔分布。本发明则采用了一种水热法制备活化石墨烯，该方法工艺简单，反应条件温和，反应过程容易控制，可得到均匀的纳米孔结构。

[1]Zhang L L,et al.Nano letters.2012,12(4):1806–1812

[2]Zhu Y,Murali S,Stoller M D,et al.Science.2011,332(6037):1537-1541

[3]Molina-Sabio M,Rodriguez-Reinoso,F.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects.2004,241(1):15-25.

发明内容

本发明的目的是，提出一种新的活化石墨烯的制备方法，即采用水热法制备活化石墨烯，该方法工艺简单，反应条件温和，反应过程容易控制。获得的活化石墨烯收率高，孔径分布均匀，为约3～10nm纳米级微孔。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种新的活化石墨烯的制备方法，步骤如下：

1.一种活化石墨烯材料的制备方法；步骤如下：

1)称取的商品石墨烯浸渍于KOH碱溶液中，加入量为每升KOH溶液中加入0.5-1.5g石墨烯,搅拌2-6小时，然后超声1-4小时，静止放置12-48小时；

2)将步骤1)中的混合物转移至水热釜中，水热釜置于马弗炉或烘箱中升温至140-200℃，保持0.5-2小时，取出反应釜冷却至室温；

3)将步骤2)获得的反应后的混合物经抽滤除掉剩余碱液，然后用酸洗涤去除残留的碱性物质，然后用水洗涤呈中性；抽滤后在鼓风干燥箱中40-60℃烘干3-5小时，获得活化石墨烯产品。

所述的KOH溶液浓度为0.5-6mol/L。所述的酸为质量分数3-8％稀盐酸。

若马弗炉或烘箱可程序升温，优选可控制在升温速度为每分钟1℃-5℃。

采用水热法制备活化石墨烯，可降低反应温度、缩短反应时间、简化制备工艺。获得活化石墨烯收率高达80％以上，孔径分布均匀约3-10nm(见本发明附图2)。以染料敏化太阳能电池为例，在光阳极材料纳米TiO₂(P25，Deggusa)中加入0.05wt％用本发明方法制备的活化石墨稀，光电转化效率提高了36％(见本发明附图3)。

附图说明

图1：活化石墨烯样品图；

图2：水热法制备活化石墨烯的透射电镜图；

图3：采用TiO₂和TiO₂/活化石墨烯光阳极组装的染料敏化太阳能电池的光电性能。

具体实施方式

实施例1

1)将石墨烯浸渍于0.5mol/L KOH溶液中，加入量为每升KOH溶液中加入0.5g石墨烯，搅拌2小时，然后超声1小时，静止放置12小时。