一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子点，所述石墨烯量子点/介孔碳复合材料的比表面积为800～1000m

Method for preparing graphene quantum dot / mesoporous carbon composite material and application thereof

The invention provides a graphene quantum dot / mesoporous carbon composite materials, including graphene quantum dots and mesoporous carbon filled in the dielectric Kong Tan mesoporous, the graphene quantum dots / mesoporous carbon composite material specific surface area is 800 ~ 1000M

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料的制备方法及其应用
本专利技术属于储能
，具体涉及一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料、制备方法以及应用。
技术介绍
介孔碳指的是孔径在2nm～50nm尺寸之间的多孔碳。目前介孔碳的合成方法主要有两种：硬模板法和软模板法。硬模板法是使用像多孔阳极氧化铅和多孔硅这样具有相对较“硬”的含有刚性骨架的多孔材料作为模板，再通过复制模板结构，最后脱去模板制备出介孔材料。使用硬模板法合成介孔材料的优点是普适性强，合成出来的介孔材料可完全继承硬模板的结构。软模板法是使用＂软＂有机分子作为模板，常用的软模板剂有表面活性剂和微乳液等。软模板剂与构成骨架物质之间发生较强的相互作用，发生反应后脱出模板剂就形成了介孔材料。相比硬模板法，虽然软模板法不能严格控制介孔材料尺寸和形状，但其操作简便，成本相对低廉而被人们所广泛应用于介孔材料的合成当中。目前软模板法主要包括水热法、溶剂挥发诱导自组装法(EISA)和沉淀法等。其中水热法具有简单且重复性好的特点，得到了广泛的应用。一般的锂硫电池是以硫做正极材料，锂做负极材料的一种电池体系。由于单质硫具有极高的理论容量(1675mAhg-1，是传统正极材料的5-10倍)，能量密度可达2500Whkg-1，同时硫兼具无毒、环境友好、原料来源广泛、成本低廉等一系列优点。但由于使用硫作正极，锂硫电池也存在导电性差、中间产物的穿梭效应、硫发生体积应变等问题。近年来，有不少研究者将两种或者两种以上碳材料进行复合，以解决硫导电性差和穿梭效应的问题。而介孔碳材料具有较为合适的用于载硫的孔径尺寸。因此，为提高硫的利用率，并且抑制多硫化物溶于电解液，提供硫体积膨胀所需的空间，专利技术一种具有良好导电性和较大比表面积的复合介孔碳材料对于提高锂硫电池的性能具有重大意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料的制备方法以及应用，本专利技术提供的石墨烯量子点/介孔碳复合材料应用于锂硫电池时，可以提高其电化学性能。本专利技术提供了一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子点，所述石墨烯量子点/介孔碳复合材料的比表面积为800～1000m2g-1，孔容为2～4cm3g-1。优选的，所述石墨烯量子点和介孔碳复合材料的质量比为1:60～1:600。本专利技术还提供了一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：A)将甲阶酚醛树脂水溶液与表面活性剂混合搅拌，进行加热反应，得到表面活性剂-酚醛单胶束溶液，所述表面活性剂选自F127或P123；B)将石墨烯量子点水溶液与步骤A)表面活性剂-酚醛单胶束溶液混合后在130℃～180℃进行水热反应20h～30h，反应产物冷冻干燥后经高温退火、碳化、清洗和干燥处理，得到石墨烯量子点/介孔碳复合材料。优选的，所述加热反应的温度为40～60℃，所述加热反应的时间为2～4h。优选的，所述甲阶酚醛树脂水溶液的浓度0.03～0.20mol/L，所述表面活性剂与甲阶酚醛树脂的质量比为0.035～0.05。优选的，所述石墨烯量子点与甲阶酚醛树脂的质量比为1:(100～1000)。优选的，所述石墨烯量子点水溶液的浓度为0.01mg/mL～0.1mg/mL。优选的，所述水热反应的温度130℃～180℃，时间为20h～30h。优选的，所述退火的温度为400～600℃，时间为2～4h。优选的，所述碳化的温度为700～1000℃，时间为3～5h。本专利技术还提供了一种锂硫电池，包括正极、负极和电解液；所述正极包括上述石墨烯量子点/介孔碳复合材料以及由上述制备方法制备得到的石墨烯量子点/介孔碳复合材料。与现有技术相比，本专利技术提供了一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子点，所述石墨烯量子点/介孔碳复合材料的比表面积为800～1000m2g-1，孔容为2～4cm3g-1。本专利技术提供的石墨烯量子点/介孔碳复合材料能够提供良好的导电性，较大的比表面积，有利于电子和离子的传递。同时，进入到介孔碳内部的石墨烯量子点能够在负载硫的同时，抑制多硫化物的溶解扩散。这种特殊的结构使得以该材料作为锂硫载体的正极材料具有较高的理论比容量和循环性能。并且，本专利技术还提供了一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料的制备方法，石墨烯量子点水溶液与表面活性剂-酚醛单胶束溶液混合进行水热反应过程中酚醛表面的羟基与石墨烯量子点的含氧官能团发生反应，发生化学吸附，石墨烯量子点进入介孔碳内部。本专利技术利用石墨烯量子点的纳米效应，通过水相合成法使表面活性剂-酚醛单胶束在水热条件下与石墨烯量子点原位复合，制备得到高比表面积和高孔隙率的石墨烯量子点/介孔碳复合材料。通过熔融扩散的方法制备硫负载量65％的碳/硫复合材料，使得到的石墨烯量子点/介孔碳复合材料应用于锂硫电池中且具有良好的电化学性能。附图说明图1为本专利技术提供的石墨烯量子点/介孔碳复合材料的结构示意图；图2为石墨烯量子点/介孔碳复合材料的氮气吸脱附曲线图；图3为本专利技术提供的实施例1与对比例1锂硫电池的比容量和循环性能。具体实施方式本专利技术提供了一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子点，所述石墨烯量子点/介孔碳复合材料的比表面积为800～1000m2g-1，优选为850～950m2g-1，孔容为2～4cm3g-1，优选为2.5～3.5cm3g-1。优选的，所述石墨烯量子点和介孔碳复合材料的质量比为1:60～1:600，优选为1:300。本专利技术还提供了一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将甲阶酚醛树脂水溶液与表面活性剂混合搅拌，进行加热反应，得到表面活性剂-酚醛单胶束溶液，所述表面活性剂选自F127或P123；B)将石墨烯量子点水溶液与步骤A)表面活性剂-酚醛单胶束溶液混合后在130℃～180℃进行水热反应20h～30h，反应产物冷冻干燥后经高温退火、碳化、清洗和干燥处理，得到石墨烯量子点/介孔碳复合材料。本专利技术以石墨烯量子点以及表面活性剂-酚醛单胶束作为原料进行复合材料的制备，在本专利技术中，所述石墨烯量子点优选采用以下方法进行制备：将有机碳源化合物的水溶液与浓硫酸混合搅拌，进行反应；将得到的反应产物进行水热化学反应后，过滤，得到石墨烯量子点。具体的，本专利技术首先将有多羟基醛类化合物与去离子水混合，得到多羟基醛类化合物的水溶液，其中，所述多羟基醛类化合物优选为葡萄糖。接着，向所述有机碳源化合物的水溶液中注入浓硫酸，同时进行搅拌反应，直至溶液搅拌均匀，搅拌过程中溶液的颜色从最初的无色变成黄色，最后变成黑色。其中，所述进行反应的容器优选为反应釜聚四氟乙烯内胆。然后，将反应产物在密闭的条件下进行水热化学反应，优选的，将反应釜聚四氟乙烯内胆置于金属反应釜体内，盖密严实，放入干燥箱进行水热化学反应，所述水热化学反应的温度优选为200～240℃，所述水热化学反应的时间为180～200min。水热化学反应得到进行水热化学反应合成蓝色荧光石墨烯量子点。反应结束后，等到反应温度降到室温，反应产物利用中速定性过滤纸(孔径大小为15～20um)进行过滤，仅仅去除大的固体杂质，获得棕黄色石墨烯量子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料，其特征在于，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子点，所述石墨烯量子点/介孔碳复合材料的比表面积为800～1000m

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料，其特征在于，包括介孔碳以及填充于所述介孔碳的介孔中的石墨烯量子点，所述石墨烯量子点/介孔碳复合材料的比表面积为800～1000m2g-1，孔容为2～4cm3g-1。2.根据权利要求1所述的石墨烯量子点/介孔碳复合材料，其特征在于，所述石墨烯量子点和介孔碳复合材料的质量比为1:60～1:600。3.一种石墨烯量子点/介孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将甲阶酚醛树脂水溶液与表面活性剂混合搅拌，进行加热反应，得到表面活性剂-酚醛单胶束溶液，所述表面活性剂选自F127或P123；B)将石墨烯量子点水溶液与步骤A)表面活性剂-酚醛单胶束溶液混合后在130℃～180℃进行水热反应20h～30h，反应产物冷冻干燥后经高温退火、碳化、清洗和干燥处理，得到石墨烯量子点/介孔碳复合材料。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热反应的温度为40～60℃，所述加热反应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛相麟，周旭峰，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33