本发明专利技术涉及一种卤化物插层多孔型石墨烯材料，其含有多孔石墨烯片和卤化物，在多孔石墨烯片层间插入卤化物，所述卤化物颗粒呈单层均匀平铺于所述石墨烯片层间。其制备方法为以卤化物插层石墨化合物为原料，在溶剂中超声剥离制备该卤化物插层多孔型石墨烯材料。该方法简单，原料价廉，设备易得，大大降低石墨烯的生产成本，可广泛用于锂离子可逆电池电极材料、能源材料、导电材料、导热材料等制备领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种石墨烯材料的制备方法，具体涉及一种卤化物插层多孔型石墨烯材料及其制备方法，以及其主要在锂离子电池电极材料上的应用。
技术介绍
石墨烯，二维SP2杂化的碳，是当今研宄最多的材料。它是单原子层厚度的碳原子排列成蜂巢状，成为世界上最薄，最硬，最韧的材料，而且是热和电的优良导体。早在2004年被分离出后，许多研宄表明这种单原子层的碳材料独特地结合了优越的机械强度，显示出高的电子和热导率、高表面区和抗渗性气体，除此之外还有许多其他的理想的特性，所有这些性能都使其成为极具吸引力的应用。它被认为是富勒烯、碳纳米管(CNT)、石墨的基本结构单元，因其力学、量子和电学性质特殊，颇受物理和材料学界重视。最常见的石墨烯制备方法包括石墨的微机械或化学剥离，化学气相沉积，氧化石墨烯的还原，和氟化石墨烯等。然而，虽然有各种各样的石墨烯的制备方法，但在高品质、经济、安全等方面，尚未有方法可以兼顾。一般来说，用于制备石墨烯的技术都是基于物理方法、化学方法或两者结合的。虽然物理方法能够生产持续的高品质石墨烯，但产生的石墨烯数量有限且价格昂贵。相反，化学氧化石墨得到氧化石墨烯经过还原可得到大量还原的氧化石墨，但还原的氧化石墨烯有很多缺陷，其质量比物理法得到的石墨烯差很多。本专利技术采用卤化物插层石墨，扩大石墨烯层间距以利于剥离，制备条件温和，石墨氧化程度极低，得到的石墨烯缺陷少品质高，可保持石墨烯的各种优异的性能。除此之外，还并可通过控制层数来保留插入石墨层间的卤化物，发挥其独特性能。虽然，此前已有用卤化物插层石墨为产物剥离石墨烯的相关方法，也有在多层石墨烯中插入卤化物的研宄，但尚未有直接剥离卤化物插层石墨复合物来制备卤化物插层石墨烯的专利技术公布。本专利技术解决了高品质石墨烯难制备和无水卤化物在空气中难以稳定存在的问题，用一步法制得了卤化物插层多孔型石墨烯材料，同时避免了传统方法中的氧化还原反应，大大提高的石墨烯结构的完整性，减少了缺陷程度。并且，根据不同的反应时间可得到不同层数的石墨烯，实现石墨烯的层数可控。除此之外，本方法制备简单，原料价廉，设备易得，危险系数低。本专利技术可广泛用于锂离子可逆电池电极材料、能源材料、导电材料、导热材料等的制备领域。在锂电池、超级电容器、储氢、催化、导电、导热等方面有优异的性能和良好的应用前景。卤化物插层多孔型石墨烯在电化学方面有良好的应用，卤化物平铺于石墨烯的夹层间不仅可以增大化合物的结构稳定程度还可以避免由于活性物质在电化学反应时产生的体积膨胀而引起的容量衰减。除此之外，石墨烯上密集的多孔结构，增多了原子传输的通道，有利于电化学反应时锂离子的快速嵌入和脱嵌，使卤化物插层多孔型石墨烯电极电池具有良好的循环特性和大电流特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯材料，其含有石墨烯片和卤化物，在石墨烯片层间插入卤化物，所述卤化物颗粒呈单层均匀平铺于所述石墨烯片层间。本专利技术可通过控制反应条件来制备不同层数不同尺寸的石墨烯及多孔石墨烯，该石墨烯材料品质高，缺陷低，并具有成本低，条件温和，工艺简单，易于大规模生产等特点。本专利技术采用如下技术方案:一种石墨烯材料的制备方法，以卤化物插层石墨化合物为原料，在溶剂中超声剥离制备石墨烯材料。该制备方法具体包括以下步骤: (1)将卤化物和石墨一起置于不锈钢反应釜中，加热至300~400°C，保温1~12小时，得到卤化物插层石墨化合物； (2)将卤化物插层石墨化合物粉体加入到有机溶剂中，在冰浴条件下，对溶液进行细胞破碎超声处理，得到卤化物插层石墨烯的分散液； (3)将卤化物插层石墨烯的分散液进行抽滤，洗涤，然后在70-100°C下干燥6-18小时后，得到卤化物插层多孔型石墨烯材料粉体。在本专利技术的优选实施方案中，卤化物插层石墨化合物采用熔盐插层方法、气相插层、液相插层或电化学插层来制备。在本专利技术的优选实施方案中，反应配比中卤化物与石墨的质量反应配比为1:1~4:1。不同的配比得到的卤化物插层石墨复合物阶数也不同，卤化物插层石墨复合物的阶数控制为I阶、2阶或3阶等等，卤化物插层石墨复合物的阶数不同，得到的石墨烯层数也不同，石墨烯层中的卤化物含量也有区别。在本专利技术的优选实施方案中，步骤(I)中的石墨为鳞片石墨，其目数为可为3000、1000、500、300 和 100 目等。在本专利技术的优选实施方案中，以卤化物为插层剂制备插层石墨，所述插层剂为氯化铁、氯化铝、氯化镁、氯化镍、溴化铁、溴化铝、溴化镉、氟化碘、氯化碘、溴化碘中的一种或几种。在本专利技术的优选实施方案中，步骤(I)的加热温度优选为300~400°C，保温时间优选为3~12小时。在本专利技术的优选实施方案中，所得卤化物插层石墨烯粉体中，石墨烯片厚度为l~5nm，优选为2nm，片层尺寸为0.1-5微米，孔径大小为0.01nm_200nm。在本专利技术的优选实施方案中，步骤(2)的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、乙醇、甲醇、四氢呋喃、丙酮中的一种或几种。在本专利技术的优选实施方案中，每I升有机溶剂优选处理1~100克卤化物插层石墨化合物粉体，有机溶剂循环使用。在本专利技术的优选实施方案中，步骤(2)的细胞破碎超声处理的功率在100~900瓦。功率不同，得到的石墨烯尺寸和厚度也不相同。细胞破碎超声处理的时间为0.5~6小时。细胞破碎超声的时间不同，卤化物插层多孔型石墨烯的厚度和尺寸也不同，从而实现层数可控。细胞破碎超声处理的时间为I小时，石墨烯厚度为2~4纳米左右，时间延长至6小时，可得到大量的单层或双层石墨烯。细胞破碎超声机的探头直径与处理液体量为正比关系。在本专利技术的优选实施方案中，步骤(3)中将卤化物插层石墨烯的分散液超声处理后的分散液用0.2微米有机膜抽滤，抽滤后收集样品，再分别用水和乙醇洗涤抽滤，然后在真空烘箱中以80°C干燥12小时。在本专利技术的优选实施方案中，步骤(3)得到的卤化物插层多孔型石墨烯材料粉体中，卤化物含量为5wt%~50wt%。本专利技术还保护上述卤化物插层多孔型石墨烯材料在锂电子电池电极材料中的应用。相比现有技术，本专利技术有以下优势和有益效果: I)本专利技术解决了高品质石墨烯难制备和无水卤化物在空气中无法稳定存在的问题，用一步法制得了卤化物插层石墨烯材料，同时避免了传统方法中的氧化还原反应，大大提高的石墨烯结构的完整性，减少了缺陷程度。2)本专利技术中石墨烯制备方法为超声剥离法，时间短、效率高、设备常见，对石墨烯层数可控，石墨稀的厚度和尺寸均勾性较高，用上述方法制备出的石墨稀(100%，〈2 nm)，与用天然石墨直接剥离制备的石墨稀(60%，>5 nm ；32% < 2 nm)相比不仅更薄而且产量也大，产率在90%以上。另外，本专利技术通过控制反应条件，可得到不同厚度和尺寸的石墨烯以及多孔石墨烯，并可以控制插层卤化物的含量。3)本专利技术制备的卤化物插层高品质多孔型石墨烯材料具有优异的充放电性能和循环稳定性，在高倍率下仍具有较高的充放电比容量，可用于锂离子电池负极、超级电容器等。本专利技术制备的卤化物插层多孔型石墨烯材料锂离子电池负极材料在进行倍率测试时在电流密度下2A/g充放电的情况下仍能维持430mAh/g的比容量，100mA/g的电流密度下充放电100次后本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种石墨烯材料，其含有多孔石墨烯片和卤化物颗粒，其特征在于，在多孔石墨烯片层间插入卤化物，所述卤化物颗粒呈单层均匀平铺于所述石墨烯片层间。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张好斌，齐新，于中振，郭瑞文，张航天，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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