[发明专利]一种碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构制备方法

说明书

本发明公开了一种碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构制备方法，包括如下步骤：将纳米碳颗粒加入氧化石墨烯溶液中，冰水浴超声分散，去除水分，还原得到碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构。本发明提出的碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构制备方法，针对性的解决石墨烯片易堆叠造成比表面积较小的结构稳定性问题，同时具有稳定性高、操作简单、节能环保、成本低廉等特点，能较好的维持石墨烯片高比表面结构的特性，适用于锂离子电池负极、超级电容器电极、催化、油水分离等领域。

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及一种碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构制备方法。

背景技术

石墨烯材料作为一种新型的二维纳米片状结构，在柔性电子中应用时，制备工艺选择性比较多。如在柔性电子领域中，用作导电黏结层、电磁屏蔽、导热层等对石墨烯品质要求不高，可通过常用的液相沉积方法(旋涂法、真空抽滤法、刮涂法等)制备，目前已实现大规模、批量化生产；用于低光电学性能要求和外接特定官能团传感器要求的二维平面化的柔性平面导电线路层、柔性传感器、柔性锂离子电池、超级电容器等应用可通过激光直写技术、喷墨印刷等方法制备，目前实验室阶段可大批量制备，预计几年内将会在市场上大量出现；高品质要求的柔性触摸屏、光电器件、太赫兹调谐器等产品可通过高质量化学气相沉积，转移压印技术和光刻技术等技术实现，目前属于实验室阶段，可能需要进一步发展。另外，则是从应用领域场景来看，作为柔性电极时，需要高导电性，有些领域甚至需要高透过率，这就需要片状材料之间能够有效结合，构建完美的导电通道，利于电荷传输。然而，石墨烯在这些应用中作为功能材料时，则需要充分利用其高比表面积的特性，尽可能避免石墨烯片状材料之间相互堆叠导致的有效比表面积减小的问题。

层层堆叠阻碍石墨烯片层吸附电荷，且离子在电极内部传输时受到迁移电阻较大，难以发挥石墨烯结构高比表面积的特性。针对石墨烯易堆叠造成高表面面积结构不稳定和有效面积不足的问题，目前主要从以下几方面入手。一是可以通过改变石墨烯构型，使其表面孔隙增加，或者从二维片状结构重组成三维多孔结构；二是在石墨烯片中引入其他维度材料构建三维层状结构，将吸附电荷的有效比表面积增加；三是引入氧化还原反应，添加赝电容材料化合物，提高电容性能；四是改变石墨烯和电解液界面能，增加浸润性，以此来提高石墨烯表面的有效吸附面积。然而这几种通过改变石墨烯构型的方式来解决易堆叠问题的方式，不可避免的存在一些问题，如采用的是KOH等腐蚀性溶液刻蚀石墨烯片，易破坏导电通道，影响电荷传输；引入赝电容材料，可以有效的提高比电容，但是赝电容材料通常为过渡金属氧化物或者高分子聚合物，稳定性差，很难长时间维持三维石墨烯结构的稳定性；改变界面能的方式，也能在一定程度上提高电容，但是效果有限，一般作为辅助性措施提高比电容。

发明内容

本发明提出了一种碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构制备方法，针对性的解决石墨烯片易堆叠造成比表面积较小的结构稳定性问题，同时具有稳定性高、操作简单、节能环保、成本低廉等特点，能较好的维持石墨烯片高比表面结构的特性，适用于锂离子电池负极、超级电容器电极、催化、油水分离等领域。

本发明提出的一种碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构制备方法，包括如下步骤：将纳米碳颗粒加入氧化石墨烯溶液中，冰水浴超声分散，去除水分，还原得到碳颗粒支撑的三维多层石墨烯结构。

优选地，氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-5mg/mL。

优选地，纳米碳颗粒为零维纳米级别颗粒，如碳量子点、无定型碳颗粒等。

优选地，纳米碳颗粒和氧化石墨烯的重量比为1：50-500。

优选地，冰水浴的温度为4-10℃，超声分散时间为3-10min。

优选地，去除水分的方式为低温干燥，包括冷冻干燥、烘箱80℃以下处理等常用方式。

优选地，还原方式为化学还原法，还原剂为氢溴酸、氢碘酸、水合肼、维生素C中的至少一种。