[发明专利]石墨烯纳米气泡材料及其制备方法和应用、吸附剂、催化剂、光学材料、储能材料

说明书

本发明提供了一种石墨烯纳米气泡材料及其制备方法和应用、吸附剂、催化剂、光学材料、储能材料。所述石墨烯纳米气泡材料的制备方法包括以下步骤：(a)将石墨原料与氧化性酸加热反应；(b)步骤(a)反应所得产物与插层剂加热反应；(c)步骤(b)所得产物与膨胀剂加热反应，反应后固液分离，得石墨纳米气泡材料；(d)对石墨纳米气泡材料进行机械力处理，得到石墨烯纳米气泡材料。该方法工艺科学，简单易行，无需昂贵的设备和贵金属作为反应条件，所得石墨烯纳米气泡材料的产率较高，气泡尺寸较大，直径在100‑300nm之间，且为封闭式的气泡，制备过程易于控制，原料来源广泛，制备成本低于1.5g/元，适合批量化生产。

技术领域

本发明涉及无机材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯纳米气泡材料及其制备方法和应用、吸附剂、催化剂、光学材料、储能材料。

背景技术

气泡是日常生活中一个很普遍的现象，对于肉眼可见的气泡，其形成及性质不管是实验还是理论已相当成熟，而那些肉眼不可见的气泡，甚至是纳米级气泡的研究就相对欠缺。随着科技发展，上个世纪80年代提出纳米气泡概念。之后很多研究者对纳米气泡进行研究，也有一些突破性成果。

2004年石墨烯材料问世，自此以后，石墨烯以其独特的结构和性质引起广泛重视。研究者在研究2D材料的覆盖时发现单层或者多层石墨烯可以束缚一些气体分子形成凸起状，称之为石墨烯纳米气泡。

石墨烯纳米气泡的制备方法有高温质子轰击、机械剥离覆盖、高温解离后冷却、电化学等。目前有关石墨烯纳米气泡的文章和专利不多，且其形成的机制和材料性质的变化在进一步研究中，研究者发现一些奇特的现象，在石墨烯覆盖下的纳米气泡可以移动传输物质，纳米气泡内部有高达数Gpa的压力，还被认为在非线性光学材料领域有潜在应用价值。

2010年加州大学伯克利分校的M.F.Crommie课题组在铂表面高温生长石墨烯时采用冷却方式得到石墨烯纳米气泡(尺寸大于3nm)，此制备方法条件苛刻，需要依靠昂贵的金属，且对仪器和设备要求高，制备的气泡尺寸较小。2016年E.Khestanova等人采取将石墨烯转移到层状材料表面，控制好条件会产生气泡结构，但此种方法制备的气泡产率不高，且步骤多、难以控制。

中国专利(CN201910302265.X)公开了一种制备石墨烯气泡材料的方法，该方法使用胶带解理石墨，贴在氧等离子体处理的基体表面，通过热处理、液氮低温冷却在基底上得到石墨烯气泡。此方法需要使用昂贵仪器，且难以批量化生产以供研究者进一步研究其性质。

2012年陈成猛教授在文章“Macroporous‘bubble’graphene film via template-directed ordered-assembly for high rate supercapacitors”中提出模板诱导法制备大孔“气泡”石墨烯薄膜，此方法制备的泡状石墨烯薄膜的气泡为开启状态，而非封闭状态。同样的，中国专利(CN104627995B)公开了一种泡状石墨烯材料及其制备方法，该方法将草酸与氧化石墨烯分散液按照比例溶解，经过干燥后在保护气体氛围下400-1000℃高温处理，最后100-200℃下经过水合肼蒸汽还原得到泡状石墨烯材料。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种石墨烯纳米气泡材料的制备方法，该方法工艺科学，简单易行，无需昂贵的设备和贵金属作为反应条件，所得石墨烯纳米气泡材料的产率较高，气泡尺寸较大，直径在100-300nm之间，且为封闭式的气泡，制备过程易于控制，原料来源广泛，制备成本低于1.5g/元，适合批量化生产。

本发明的第二目的在于提供一种采用上述制备方法得到的石墨烯纳米气泡材料。

本发明的第三目的在于提供一种石墨烯纳米气泡材料的应用。

本发明的第四目的在于提供一种吸附剂、催化剂、光学材料或储能材料。