[发明专利]一种三维石墨烯的制备方法

说明书

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体公开了一种三维石墨烯的制备方法。本发明方法包括以下步骤：将氧化石墨烯分散获得氧化石墨烯水溶液；将三维金属泡沫浸入氧化石墨烯溶液，通过物理或化学方法获得孔内负载有石墨烯气凝胶的三维金属泡沫；以孔内负载有石墨烯气凝胶的三维金属泡沫为模板，利用化学气相沉积法，得到含基底的三维石墨烯；通过刻蚀清洗得到三维石墨烯。本发明工艺简单，能实现高质量、高密度三维石墨烯，为其在催化、储能、导热、吸附等领域的应用奠定了基础。

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及三维石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种碳原子以sp²杂化方式形成的单层蜂窝状二维晶体。由于其独特的结构和优异的性能，使其成为各学科领域的研究热点。目前制备石墨烯的方法主要分为Top– down 和Bottom – up两大类。Top – down方法包括：机械剥离法、氧化还原法等，由氧化还原法得到的石墨烯材料在制备过程中不可避免地会引入结构缺陷，影响其自身性能。相比而言，如化学气相沉积法等的Bottom – up法制备的石墨烯具有完善的结构，质量较高。但是这些制备二维石墨烯的手段产量较低，难以满足宏观应用的需求

三维石墨烯的成功制备是实现石墨烯宏观应用的有效途径。目前三维石墨烯的制备主要包括两种途径：将二维石墨烯进行自组装形成三维石墨烯气凝胶；以三维金属泡沫为模板，通过CVD方法生长，获得连续的高质量三维石墨烯泡沫，具有很好的导电导热性。但是CVD方法得到的石墨烯泡沫孔结构的尺寸为数百微米，体积密度和比表面很低，限制了其宏量制备和某些领域的应用。而气凝胶具有较密实的孔结构，尺寸为亚微米级别，但是其片层之间通过物理作用相接触，有较高的电阻和热阻。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种三维石墨烯的新型制备方法，通过将现有技术相结合和进一步改进，实现高密度，高质量，大比表面积的三维石墨烯的宏观制备。

本发明提供的三维石墨烯的制备方法，具体步骤为：

（1）将氧化石墨烯在去离子水中超声分散，获得氧化石墨烯水溶液；

（2）将三维金属泡沫浸入步骤（1）得到的氧化石墨烯溶液，通过水热法或化学还原法，制备孔内负载有石墨烯水凝胶的三维金属泡沫；或直接将浸有泡沫镍的氧化石墨烯溶液冷冻干燥，得到孔内负载有石墨烯气凝胶的三维金属泡沫；

（3）将步骤（2）所得的孔内负载有石墨烯水凝胶的三维金属泡沫通过冷冻干燥，获得孔内负载有石墨烯气凝胶的三维金属泡沫；

（4）以步骤（2）或步骤（3）所得的孔内负载有石墨烯气凝胶的三维金属泡沫为模板，利用化学气相沉积法（CVD），得到含基底的三维石墨烯；

（5）将步骤（4）所得的含基底的三维石墨烯通过聚合物保护后，经刻蚀、清洗，得到三维石墨烯。

上述制备方法中，所述步骤（1）中，氧化石墨烯可利用改进的Hummers方法制备。

上述制备方法中，所述步骤（1）中，氧化石墨烯水溶液浓度为 3 mg/mL – 15 mg/mL。

上述制备方法中，所述步骤（2）中，三维金属泡沫的材料为可用于进行CVD生长的，如镍、铜等任意金属材料中的一种或合金。

上述制备方法中，所述步骤（2）中，水热法反应温度为170℃ – 230℃，时间为6 –15小时。化学还原法使用还原剂，还原剂选自：亚硫酸氢钠、抗坏血酸、硫化钠、抗坏血酸钠、水合肼、次磷酸/碘、对苯二酚、氢碘酸等，反应温度为80℃ – 100℃。