一种三维多孔石墨烯材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于无机非金属材料及电化学的技术领域，公开了一种三维多孔石墨烯材料及其制备方法与应用。所述方法为(1)将氧化石墨烯或改性的氧化石墨烯用去离子水超声分散稀释，得到稀释液；在搅拌条件下，向稀释液中依次加入间苯二酚与醛，搅拌反应，超声处理，然后置于水热釜内进行水热反应，得到粗产物；将粗产物进行洗涤，干燥，得到表面截枝的氧化石墨烯；(2)将表面接枝氧化石墨烯浸泡于强碱溶液，搅拌，过滤，得到粗产物；将粗产物置于管式炉内，在氮气氛围下进行灼烧，然后采用稀酸溶液进行离心洗涤，干燥，得到三维多孔石墨烯材料。所制备的材料具有比表面积大、结构稳定以及电化学性能高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机非金属材料及电化学的
，涉及一种石墨烯材料，特别涉及一种三维多孔石墨烯材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用。
技术介绍
随着现代电子产品以及电力交通工具的增多，对高能量密度、高功率密度和长寿命的锂离子电池需求日益迫切。锂离子电池的性能主要取决于电极材料的理化性质。因此，当前锂离子电池的研宄主要围绕设计和制备能同时提高锂离子电池能量和功率密度、并具有良好稳定性的电极材料而展开。石墨烯由于其独特的性质，如优异的导电性、高的机械强度、以及良好的锂离子存储性能，已受到了科研工作者的广泛关注，是一种比较理想的锂离子电池负极材料。但由于石墨烯比表面积较大，SP2杂化的石墨片层之间存在强烈的范德华力和π-π相互作用力，这极易导致石墨烯片层之间的团聚。从而降低其比表面积，并影响其在锂离子电池中的实际应用。研宄表明，聚集的石墨烯片层作为锂离子电池负极材料通常呈现出较低的电化学活性和循环性能。多孔石墨烯具有特殊的孔状结构，这有助于电解液中的锂离子在电池电极中的传输。此外其超高的比表面积能够提供更多的活性点参与锂离子储存反应。由此可见，通过改性石墨烯，改变石墨烯的结构，阻止团聚，就可提高锂离子电池的性能。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术的首要目的在于提供一种三维多孔石墨烯材料的制备方法。本专利技术的制备方法简单，所制备的材料具有三维多孔结构，作为锂离子电池的电极材料时，具有较好的电性能。本专利技术的另一目的在于提供由上述制备方法制备得到的三维多孔石墨烯材料。本专利技术的再一目的在于提供上述三维多孔石墨烯材料的应用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现:一种三维多孔石墨烯材料的制备方法，具体包括以下步骤:(I)表面截枝氧化石墨烯的制备将氧化石墨烯或改性的氧化石墨烯用去离子水超声分散稀释，得到稀释液；在搅拌条件下，向稀释液中依次加入间苯二酚与醛，搅拌反应一段时间，再超声处理，然后置于水热釜内进行水热反应，得到粗产物；将粗产物进行洗涤，干燥，得到表面截枝的氧化石墨烯;(2)三维多孔石墨烯的制备将步骤(I)制备的表面接枝氧化石墨烯浸泡于强碱溶液，搅拌，过滤，得到粗产物；将粗产物置于管式炉内，在氮气氛围下进行灼烧，将灼烧后产物采用稀酸溶液进行离心洗涤，干燥，得到三维多孔石墨烯材料。步骤⑴中所述改性的氧化石墨烯为胺基改性的氧化石墨烯，所述胺基改性的氧化石墨烯是采用含胺基的化合物对氧化石墨烯进行改性得到；所述含胺基的化合物为三聚氰胺。所述胺基改性的氧化石墨烯具体制备方法为将氧化石墨烯分散于去离子水中，得到分散液；然后向分散液中加入含胺基的化合物，反应，干燥，得到胺基改性的氧化石墨烯；所述分散液中氧化石墨烯的浓度为2?5mg/mL ;所述含胺基的化合物与氧化石墨烯的质量比为(I?3)mg:1mg ;所述反应的温度为25?90°C，反应的时间为0.5?12h ;所述干燥的温度为40?60°C，所述干燥时间为12?24h。步骤(I)中所述氧化石墨烯或改性的氧化石墨烯、间苯二酚以及醛的质量比为(50?200) mg:(0.2?l)g:(1?3) g ;所述醛为甲醛或戊二醛。步骤(I)中所述水热反应温度为150?200°C，反应时间为10?30h。步骤(I)中所述超声分散的条件为超声频率为20?80KHz，超声功率为100?500W，超声分散的时间为20?40min。步骤(I)中所述稀释液中氧化石墨烯或改性的氧化石墨烯的质量百分比浓度为0.1 ?步骤(I)中所述搅拌的转速为500?1500r/min，搅拌的时间为I?3h ;步骤(I)中所述洗涤采用去离子水进行洗涤，所述洗涤次数为3?6次；步骤(I)中所述干燥的温度为50?100°C，所述干燥时间为5?15h ;步骤(I)中所述超声处理的时间为20?40min，所述超声功率为100?1000W，所述超声频率为50?10KHz。步骤(I)中所述氧化石墨稀通过改进的Hmnmers法制备得到；具体制备方法为:冰浴条件下，将质量百分数为95?98%的浓硫酸加入硝酸钠和石墨混合物中，搅拌反应0.5?1.5h(搅拌的转速为500?1000r/min);随后逐步加入高锰酸钾(加入的次数为5?20次)，控制反应温度6?20 °C以内，加入完毕室温反应时间10?24h，升温至90?100°C，加入水，反应2?24h ;加入质量百分比浓度为30?35%的双氧水还原lh，依次采用质量百分数为I?10%的盐酸溶液和去离子水洗涤至pH为3?5，冻干，备用。所述的石墨:硝酸钠:浓硫酸:高锰酸钾:水:双氧水的用量比为(I?6)g: (2?6) g: (100 ?500) mL: (15 ?35) g: (100 ?400) mL: (50 ?150) mL。所述的石墨为各类天然石墨或膨胀石墨。所述氧化石墨烯中氧原子数含量占总原子数的25?50%。步骤(2)中所述强碱溶液为4?6M的KOH溶液；所述稀酸溶液为稀盐酸溶液，所述稀酸溶液的浓度为0.05?0.2M。步骤(2)中所述表面接枝氧化石墨烯与强碱溶液的质量体积比为(100?400)mg: (50?200)mL。步骤(2)中所述搅拌时间为12?24h，所述搅拌转速为500?1500r/min ;步骤(2)中所述洗涤的次数为3?6次；步骤(2)中所述干燥温度为50?100°C，所述干燥时间为12?48ho步骤(2)中所述灼烧时间为0.5?2h，灼烧温度为500?1000 °C。步骤(2)中所述烧灼温度优选为700°C?900°C，此温度条件下不仅能还原氧化石墨烯，同时适量的KOH能与材料中的碳反应达到造孔目的。所述三维多孔石墨稀材料由上述制备方法制备得到。所述三维多孔石墨稀材料的比表面积为966?1086m2 ^g10所述三维多孔石墨烯材料在锂离子电池中的应用。所述三维多孔石墨烯材料用于制备锂离子电池负极材料。本专利技术的氧化石墨稀是由天然石墨通过改良的Hmnmers法制备而成，所得的氧化石墨烯含有大量的含氧基团例如:羧基，羟基和环氧基团，这些基团的存在能够有效提高氧化石墨烯的反应活性。通过氧化石墨烯表面的活性基团与其他的功能基团的接枝反应，随后还原表面接枝的氧化石墨烯，则可获得三维多孔石墨烯。本专利技术通过氧化石墨烯与醛的反应从而形成三维多孔结构，并且在GO片层(即氧化石墨烯)上沉积酚醛树脂以阻止石墨烯片层之间的团聚。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点及有益效果:(I)本专利技术工艺简单、设备廉价、并且能够满足大规模化生产的制备要求；(2)本繁忙制备的三维多孔石墨烯材料具有比表面积大、结构稳定以及电化学性能尚等优点。【附图说明】图1为实施例1制备的三维多孔石墨烯材料的SEM图；图2为实施例1制备的三维多孔石墨烯材料的TEM图；图3为实施例4制备的石墨烯材料的SEM图；图4为实施例1制备的三维多孔石墨烯材料、表面接枝的氧化石墨烯以及氧化石墨烯的X射线光电子能谱图；图5为实施例1制备的表面接枝的氧化石墨烯以及氧化石墨烯的红外谱图；图6为实施例1制备的三维多孔石墨烯材料和实施例4制备的石墨烯材料的氮气等温吸附脱附曲线；图7为实施例1制备的三维多孔石墨烯材料作为电极时锂离子电池性能测试图即循环性能曲线；图8为实施例1制备的三维多孔石墨烯材料作为电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维多孔石墨烯材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)表面截枝氧化石墨烯的制备：将氧化石墨烯或改性的氧化石墨烯用去离子水超声分散稀释，得到稀释液；在搅拌条件下，向稀释液中依次加入间苯二酚与醛，搅拌反应一段时间，再超声处理，然后置于水热釜内进行水热反应，得到粗产物；将粗产物进行洗涤，干燥，得到表面截枝的氧化石墨烯；(2)三维多孔石墨烯的制备将步骤(1)制备的表面接枝氧化石墨烯浸泡于强碱溶液，搅拌，过滤，得到粗产物；将粗产物置于管式炉内，在氮气氛围下进行灼烧，将灼烧后产物采用稀酸溶液进行离心洗涤，干燥，得到三维多孔石墨烯材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋仲杰，江宇，刘美林，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44