一种自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法。首先将镁粉和其它金属粉末研磨混合均匀，所得混合粉置于坩埚内，将坩埚置于密闭的容器中，并在混合粉内埋入电阻丝；然后向坩埚内通入二氧化碳气体，通过调节电流的大小，使电阻丝发热，采用发热的电阻丝引燃混合粉；混合粉迅速燃烧完成，反应过程中发出耀眼的白光，并放出大量的热，放出的热量足以维持反应物继续反应直至反应结束，生成大量黑色产物，最后依次采用稀酸溶液反应、去离子水洗涤、干燥，得到多孔石墨烯。本发明专利技术制备方法简单易行、成本低、产率高，且产物石墨烯杂质少，具有极大的比表面积。极大的比表面积。

【技术实现步骤摘要】
一种自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法
一、
：
[0001]本专利技术属于金属热还原反应与石墨烯材料
，具体是涉及一种自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法。
二、
技术介绍
：
[0002]近年来，石墨烯以其优异的物理、化学和机械性能，在储能材料、太阳能电池、纳米复合材料、电子信息、可穿戴设备等领域有广阔的应用前景。石墨烯的合成方法包括机械剥离法、溶剂剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、球磨法、氧化还原法等。机械剥离法和液相剥离法得到的石墨烯产率太低；球磨法具备量产化的优势，但得到的石墨烯层数不均匀，难以保证质量；化学气相沉积法和外延生长法制备的石墨烯层数均匀、质量好，在电子领域和光电领域具有很好的应用前景，但是其实验条件要求较高，导致较高的成本；氧化还原法虽然能够以较低的成本制备出大量的石墨烯，但石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂的破坏，造成较大的缺陷。这些问题都会严重限制石墨烯的使用。
[0003]Chakrabarti等人率先在干冰中燃烧镁带，制备出少层石墨烯，但由于热释放激烈，这一过程难以控制，产品的形貌无法调节。(J.Mater.Chem.2011,21,9491)。邢震宇等人将镁锌混合物在二氧化碳氛围下加热制备石墨烯，但传统炉技术需要大量的能量投入且反应时间较长(CN 201911240125.0)。因此，如何以二氧化碳为原料，实现规模化、绿色、快速制备多孔石墨烯材料仍是目前本领域技术人员关注的重要问题。
三、
技术实现思路
：
[0004]本专利技术要解决的技术问题是：为了克服石墨烯现有制备方法中存在的不足之处，本专利技术提供一种自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法。本专利技术制备方法能够在短时间内合成大量多孔石墨烯，整体制备过程操作简单、耗能低，并且制备所得产品石墨烯的比表面积极大。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]本专利技术提供一种自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0007]a、以镁粉和其它金属粉末为原料，将镁粉和其它金属粉末按照10：1～1：10的摩尔比进行混合，混合均匀后得到混合粉，将所得混合粉置于坩埚内，并在混合粉内埋入电阻丝，然后将坩埚置于密闭容器中；
[0008]b、接着向坩埚内通入二氧化碳气体，控制二氧化碳气体的流速为20～500ml/min；
[0009]c、调节直流电源的电流大小，使电阻丝发热，采用发热的电阻丝引燃步骤a坩埚内的混合粉；
[0010]d、待混合粉燃烧反应结束后，向所得生成物中加入稀酸溶液进行反应，反应时间为10～48h，经反应除去氧化物；
[0011]e、将步骤d所得反应物进行过滤、收集沉淀物，所得沉淀物进行充分洗涤、干燥，干
燥后得到产品多孔石墨烯。
[0012]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤a中所述其它金属粉末为锌粉、锰粉、锡粉、铜粉和铝粉中的至少一种。
[0013]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤a中所述镁粉和其它金属粉末的平均粒径均为1～1000μm。
[0014]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤a中所述坩埚为铸铁坩埚、石英坩埚、刚玉坩埚、石墨坩埚和碳化硅坩埚中的任一种。
[0015]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤a中所述密闭容器采用的材质为石英、不锈钢、耐热钢和碳化硅中的任一种。
[0016]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤a中所述电阻丝为钨丝、钼丝、镍铬丝和碳化硅丝中的任一种。
[0017]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤c中所述直流电源的功率为10～2000W；所述电流的大小为1～30A。
[0018]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤d中所述稀酸溶液为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸和稀磷酸中的任一种，所述稀酸溶液的浓度均为1～5mol/L；所述稀酸溶液与原料混合粉二者之间的摩尔量比例为1：1～4：1。
[0019]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤e中所述洗涤过程中采用去离子水进行洗涤，洗涤至pH值为6～7。
[0020]根据上述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，步骤e中所述干燥为加热干燥或液氮冷冻干燥。
[0021]本专利技术的积极有益效果：
[0022]1、本专利技术技术方案采用自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，只需由发热的电阻丝刺激一部分样品，即可使反应物剧烈燃烧，放出大量的热产生燃烧波，并自发地通过剩余的材料以自我维持的方式传播，直至反应结束。反应过程迅速且操作简单，利用反应自身的放热维持反应继续进行，从而节约了大量能量，符合节能环保的理念。
[0023]2、本专利技术技术方案通过自蔓延合成制备的石墨烯为多孔石墨烯，制备方法中通过调节金属镁粉和其它金属粉的摩尔比来调控产物石墨烯的层数和孔径分布。本专利技术制备得到的少层石墨烯其比表面积高达800～1400m2/g，总孔体积极大，具有优良的导电性，能够在Li
‑
S电池、超级电容器、电解水析氢中发挥巨大的潜力。
四、附图说明：
[0024]图1本专利技术实施例1制备所得多孔石墨烯的扫描电子显微镜照片；
[0025]由图1可知，本专利技术制备所得产品石墨烯表面均匀，呈现中空微球结构且保持比较完整。
[0026]图2本专利技术实施例1制备所得多孔石墨烯的X射线衍射图谱；
[0027]图2中，横坐标为2θ，纵坐标是衍射强度；从图中可以看出，材料在26
°
和43
°
附近出现了属于石墨结构的(002)和(100)特征峰，表明产物具有石墨烯六元蜂巢状晶格结构，且图谱中未出现属于氧化镁、氧化锌、镁、锌的杂峰，由此表明实施例1制备的石墨烯纯度高，无氧化物等杂质。
[0028]图3本专利技术实施例1制备所得多孔石墨烯的拉曼图谱；
[0029]由图3可知，在1350cm
‑1、1580cm
‑1、2700cm
‑1附近分别出现了代表石墨烯特征峰的D峰、G峰和2D峰；通过计算可得I
D
/I
G
的值为0.97，说明石墨烯缺陷程度较高，I
2D
/I
G
的值为0.26，表明了石墨烯的少层特征。
[0030]图4本专利技术实施例1制备所得多孔石墨烯的氮气等温吸脱附曲线；
[0031]由图4可知，本专利技术实施例1制备所得石墨烯的氮气等温吸脱附曲线表现出典型的Ⅳ型等温线，在P/P0范围为0.4～0.9时出现了介孔材料所特有的滞后环，且产物的比表面积高达1368m2g
‑1，证明其具有丰富的介孔结构和较大的比表面积。
[0032]图5本专利技术实施例1制备所得多孔石墨烯经氮气等温吸脱附测试所得孔径分布曲线；
[0033]在图5中，横坐标代表孔径，纵坐标代表孔容。由此可以明显观察出材料在3.4nm附近呈现单一孔径分布，表明产物具有高度均一的介孔通道。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：a、以镁粉和其它金属粉末为原料，将镁粉和其它金属粉末按照10：1～1：10的摩尔比进行混合，混合均匀后得到混合粉，将所得混合粉置于坩埚内，并在混合粉内埋入电阻丝，然后将坩埚置于密闭容器中；b、接着向坩埚内通入二氧化碳气体，控制二氧化碳气体的流速为20～500ml/min；c、调节直流电源的电流大小，使电阻丝发热，采用发热的电阻丝引燃步骤a坩埚内的混合粉；d、待混合粉燃烧反应结束后，向所得生成物中加入稀酸溶液进行反应，反应时间为10～48h，经反应除去氧化物；e、将步骤d所得反应物进行过滤、收集沉淀物，所得沉淀物进行充分洗涤、干燥，干燥后得到产品多孔石墨烯。2.根据权利要求1所述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤a中所述其它金属粉末为锌粉、锰粉、锡粉、铜粉和铝粉中的至少一种。3.根据权利要求1所述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤a中所述镁粉和其它金属粉末的平均粒径均为1～1000μm。4.根据权利要求1所述的自蔓延合成多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松杰，卫正钰，王成铎，赵强，何梦园，李帆，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：