[发明专利]一种具有大层间距的寡层石墨烯及其低温快速制备方法和应用

说明书

一种具有大层间距的寡层石墨烯及其低温快速制备方法和应用。本发明属于石墨烯材料制备领域。本发明的目的是为了解决现有高温还原GO需要较高的温度、能耗较大以及现有低温还原GO耗时较长、且所得石墨烯层间距不大的技术问题。本发明以Hummers法制备的GO分散液为原料，经干燥和低温微爆处理，得到具有大层间距的寡层石墨烯。进一步热处理后得到高还原度的石墨烯，将其应用于钾离子电池负极材料领域，具有优异的储钾性能、高结构稳定性以及有效缓冲电化学反应过程中体积膨胀的显著优势。

技术领域

本发明属于石墨烯材料制备领域，具体涉及一种具有大层间距的寡层石墨烯及其低温快速制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是指紧密堆积成二维蜂巢状晶格结构的单层碳原子，它是构建其他维数炭材料(零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本结构单元。由于其优异的电学、热学和力学性能，石墨烯在高功能纳电子器件、透明导电膜、复合材料、催化材料、储能材料、场发射材料、气体传感器及气体存储等领域受到了广泛关注。石墨烯的宏量制备是实现其广泛应用和性能研究的重要前提，因而发展石墨烯的宏量制备技术便显得尤为重要。

目前，制备石墨烯的方法主要包括化学气相沉积(CVD)法、晶体外延生长法、机械剥离法及化学剥离法(即氧化-剥离-还原)。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但是制备成本较高、对基底的要求高且工艺复杂。晶体外延生长法对制备条件要求苛刻、产量低，难以满足工业化和规模化生产的要求。机械剥离法可以制备出高品质、缺陷少的石墨烯，但仅能得到极少量的石墨烯，效率低、随机性大，不适合大量制备石墨烯，目前只能用于实验室小规模制备。化学剥离法主要通过氧化鳞片石墨制备氧化石墨及后续剥离、还原氧化石墨烯(GO)来制备石墨烯，成本低廉、对设备要求不高且石墨烯收率高，是一种公认的可实现石墨烯宏量制备的方法。

目前最常用的还原GO的方法包括化学还原法和高温热还原法。化学还原法需要使用肼、硼氢化钠、氢碘酸等还原剂去除GO表面的各种含氧官能团从而得到石墨烯，但所使用的还原剂具有较大的毒性和较高的成本、对环境污染较大并且会引入新的杂质影响石墨烯的品质。高温热还原法是通过高温热处理去除GO表面的含氧官能团，无需使用其他有毒有害的化学试剂，因而是目前宏量制备石墨烯的理想选择。但高温还原GO需要较高的温度，能耗较大，因此如何实现低温快速还原GO仍然是目前石墨烯研究领域的难点与挑战。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有高温还原GO需要较高的温度、能耗较大以及现有低温还原GO耗时较长、且所得石墨烯层间距不大的技术问题，而提供了一种具有大层间距的寡层石墨烯及其低温快速制备方法和应用。

本发明的目的之一在于提供一种具有大层间距的寡层石墨烯的低温快速制备方法，所述方法按以下步骤进行：

步骤1：以Hummers法制备的GO分散液为前躯体，将其干燥至含水率为20％～45％，得到GO粉末；

步骤2：将GO粉末置于管式炉中，在保护气氛下升温至至一定温度发生微爆剥离，得到具有大层间距的寡层石墨烯。

进一步限定，步骤1中GO分散液的浓度为0.1～10mg/mL。

进一步限定，步骤1中干燥的方式为自然干燥、鼓风干燥、真空干燥或冷冻干燥。

进一步限定，步骤1中干燥的温度≤50℃。

更进一步限定，所述冷冻干燥时间为2～32h，真空压力值为1～500Pa。

进一步限定，步骤2中保护气氛为氢气、氩气、氮气中的任一种或几种按任意比的混合气体。

进一步限定，步骤2中升温速率≥5℃/min，一定温度为150～220℃。

本发明的目的之二在于提供一种按上述方法制得的具有大层间距的寡层石墨烯。