[发明专利]一种大面积石墨烯的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种大面积石墨烯的制备方法及其应用，该方法是将含氧有机聚合物与镍盐混合后，置于惰性气氛围中煅烧，煅烧产物经过酸液洗涤、干燥，即得大面积石墨烯；该方法操作简单便、周期短，产率高，有利于工业化生产；得到的大面积石墨烯可用作钠离子电池电极材料，且具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，特别涉及一种利用金属镍盐与聚合物通过煅烧一步制备大面积石墨烯的方法，及其在钠离子电池中的应用，属于钠离子电池材料制备技术领域。

背景技术

碳材料家族成员众多，包括富勒烯、碳纳米球、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米片、多孔碳等。碳材料因来源丰富、价格低廉、绿色环保，被广泛应用于众多领域，如生物技术、载药、催化、电池、超级电容器等，可以说碳材料是功能最全的材料之一。

石墨烯，作为碳材料家族的新星，自从被发现，便展出诱人的吸引力，2010年10月5日，瑞典皇家科学院将2010年的诺贝尔物理学奖授予安德烈海姆和康斯坦丁洛沃谢洛夫，以表彰他们在石墨烯材料当面的卓越研究。研究发现，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，是目前世界上已知的最薄、最坚硬的纳米材料。石墨烯具有优异的力学、热学、光学及电学性能。石墨烯材料的抗拉强度为125GPa，弹性模量为1.1TPa，室温热导率可以达到5*10³W/mK,电导率为10⁶S/m.此外，石墨烯在超级电容器、电子信息、复合材料等领域也有着广泛的应用。石墨烯的大规模应用，需要建立在大规模制备的基础上。近年来，人们已将在石墨烯的制备方面取得了一些进展，发展了机械剥离，化学氧化，CVD气相等方法，机械剥离所产生的石墨烯含量较少，耗能较高，不利于大规模生产。化学氧化的方法的安全性低，反应难于控制，并且所产生的石墨烯的表面官能会缺失，步骤繁琐。而CVD气相的方法，成本过高同样限制了材料的进一步发展。

发明内容

针对现有的石墨烯材料的制备方法存在的缺陷，本发明的一个目的是在于提供一种原料来源广、步骤及操作简单、周期短、产率高的制备大面积石墨烯的方法。

本发明的另一个目的是在于提供一种所述大面积石墨烯的应用，所述大面积石墨烯具有面积大，纯度高的特点，具有较好的电化学活性，用于钠离子电池，具有高容量、高功率、长寿命等优异性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种大面积石墨烯的制备方法，该方法将含氧有机聚合物与镍盐混合后，置于惰性气氛围中，在500～800℃温度下煅烧，煅烧产物经过酸液溶解、干燥，即得。

优选的方案，所述含氧有机聚合物与镍盐的质量之比为1:1～30。较优选为1:1～10；更优选为1:5～10。含氧有机聚合物与镍盐的质量比例应当控制在适宜范围内，镍含量过高，难以得到结构完整的大面积石墨烯，镍含量过低，导致石墨烯难以生成，产率降低。

较优选的方案，所述含氧有机聚合物选自碳量子点、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲醛、聚环氧乙烷、环氧树脂、聚碳酸酯、聚四氢呋喃、聚苯醚、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯酸、聚醛树脂、间苯二酚甲醛树脂、酚醛树脂中至少一种。更优选为碳量子点、聚乙二醇、聚乙烯醇、酚醛树脂中至少一种；最优选为碳量子点。优选的含氧有机聚合物中富含氧，在镍的催化下有利于氢的脱除，提高了碳化效率。同时采用含氧有机聚合物能对石墨烯进行适量氧掺杂，以提高石墨烯的电化学性能。

较优选的方案，所述镍盐选自氯化镍、硫酸镍、碳酸镍、磷酸镍、硝酸镍、亚磷酸氢镍中至少一种。优选为磷酸镍、碳酸镍、硝酸镍、柠檬酸镍中至少一种。

较优选的方案，煅烧温度为700～800℃。过高的温度会造成材料的石墨化程度加深，不利于材料的电化学性能。而过低的温度则不能使得单质镍析出，从而无法利用镍的定向诱导作用生成石墨烯。

较优选的方案，煅烧时间为2h～10h；更优选的煅烧时间为5～10h。