[发明专利]一种石墨烯基纳米碳球的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯基纳米碳球及其制备方法和应用，通过向氧化石墨烯分散液中加入H₂O₂和还原剂进行反应，反应完成后将固液分离后得到碳球分散液透析分离，在真空下冷冻干燥，得到石墨烯基纳米碳球。本发明以石墨烯材料直接作为碳源，采用非金属溶剂进行催化氧化制备碳球，制备在常温常压下完成，条件温和，制备过程简单、安全，并且无需额外加入难以分离的物质，不引入或产生污染物，属于绿色制备方法。本发明得到的石墨烯基纳米碳球尺寸为20～100nm，分布均匀，孔隙结构丰富，导电性优良，具有sp2疏水结构，比表面积大。作为储能材料、电化学传感器、超级电容器、催化剂载体或水处理吸附材料有着良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种石墨烯基纳米碳球及其制备方法和应用。

背景技术

现代科技的快速发展推动了材料领域的飞速前进。碳材料具有复杂多变的成键形式，如sp，sp2和sp3杂化，可以形成多种结构形态，展现出巨大的应用前景。在众多碳材料之中，石墨烯作为一种二维晶体，具有较高的比表面积、良好的导电性、灵活可控的机械柔韧性以及优良的热力学稳定性，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。

碳球是一种零维碳材料，由于其高强度、高热阻、低密度等特性，可以用作复合材料增强组分、催化剂载体、润滑剂和耐磨材料等，在储能、CO₂吸附、水处理领域都有应用。常用的制备碳球的方法有水热合成法、模板法、分散聚合法、高温催化裂解碳氢化合物法、金属还原法以及化学气相沉积法等，这些方法都需要高温催化或加入金属催化剂，难以通过改变单独反应条件来调控尺寸，且能耗大，难以大规模应用。

作为储能载体，石墨烯的孔隙结构不如一般碳球丰富，而一般碳球电子传导性不如石墨烯，因此国内外研究者开展了许多关于石墨烯和碳球复合材料制备的研究。CN104882594A公开了一种三维石墨烯-空心碳球纳米复合物及其制备方法，利用酚醛树脂包覆二氧化硅的微球制备碳球，之后使空心碳球均匀分布在石墨烯构成的三维网络结构，并应用于锂硫电池正极材料。文献(Hierarchical hybrids with microporous carbonspheres decorated three～dimensional graphene frameworks for capacitiveapplications in supercapacitor and deionization. Electrochim Acta 193(2016)88–95)中利用葡萄糖做碳源与石墨烯进行超声反应并高温热处理制备了碳球修饰三维石墨烯，可形成多级分层孔状结构并应用在超级电容器电极和电容去离子装置的电极材料。上述方法制备过程复杂，反应温度高，能耗大，不利于推广。因此，发明一种成本低、效率高、制备条件温和且无污染的碳球制备方法是一个迫切需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种石墨烯基纳米碳球及其制备方法和应用，以石墨烯材料直接作为碳源，采用非金属溶剂进行催化氧化制备碳球，工艺简单，条件温和，制备过程无污染。得到的石墨烯基纳米碳球尺寸为20～100nm，分布均匀，孔隙结构丰富，具有sp2疏水结构，比表面积大。可以用于制备储能材料、电化学传感器、超级电容器、催化剂载体或水处理吸附材料，具有良好的应用前景。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种石墨烯基纳米碳球的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)制备氧化石墨烯分散液；

(2)向步骤(1)得到的氧化石墨烯分散液中加入H₂O₂和还原剂，搅拌下进行反应，反应完成后固液分离，得到碳球分散液；

(3)将步骤(2)得到的碳球分散液纯化分离，对分离后得到的固体真空冷冻干燥，得到石墨烯基纳米碳球。