[00135581]一种热接触式制备纳米孔洞石墨烯的方法

【摘要】本发明公开了一种热接触式制备纳米孔洞石墨烯的方法,其特征在于：由氧化石墨烯气凝胶或氧化石墨烯纸等干燥的氧化石墨烯产物,在相对较低温度下直接接触加热热源自燃烧膨胀还原得到。本发明利用氧化石墨烯气凝胶等干燥的氧化石墨烯产物作为制备石墨烯的材料,并在空气气氛下直接接触加热热源,在短暂的几秒钟之内发生自燃烧并膨胀,同时以气体的形式迅速的脱去大部分含氧官能团,并在缺陷处产生孔洞,从而可以大规模且快速高效的制备大比表面积、纳米孔洞的石墨烯。 本发明热接触式制备纳米孔洞石墨烯的方法,其特点在于： 按如下步骤进行： 步骤 a、将氧化石墨烯分散在去离子水中,获得氧化石墨烯悬浮液; 步骤 b、对氧化石墨烯悬浮液进行冷冻干燥,获得氧化石墨烯气凝胶;或对氧化石墨烯悬浮液进行恒温干燥,获得氧化石墨烯纸; 步骤 c、在空气气氛下,将加热热源预热至 200℃及以上,在温度稳定后,将所述氧化石墨烯气凝胶放在加热热源上,使氧化石墨烯气凝胶燃烧膨胀,氧化石墨烯被还原,即获得纳米孔洞石墨烯气凝胶;或在空气气氛下,将加热热源预热至 200℃及以上,在温度稳定后,将所述氧化石墨烯纸放在加热热源上,使氧化石墨烯纸燃烧膨胀,氧化石墨烯被还原,即获得纳米孔洞石墨烯纸。 优选的,步骤 a 所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为 4~10mg/mL。若浓度过低,会导致制备氧化石墨烯气凝胶和氧化石墨烯纸的样品的紧密度不够,而产生大量的样品损失;浓度过高不利于氧化石墨烯的分散,并且会导致热接触处理的结果中,得到的样品比表面积有一定的损失。 步骤 b 所述冷冻干燥是在-40℃-60℃的条件下进行。 步骤 b 所述恒温干燥是在 55℃~65℃的条件下进行。 步骤 c 所述加热热源可以是加热台、管式炉、电热板或电磁炉中的任意一种,或者其他任意可以在空气中加热的仪器。 步骤 c 所述加热热源的预热温度优选为 200~300℃,这一温度范围即可以满足反应需求,高温情况下会产生相同的效果,所以无需更高的温度。在 200℃时,将氧化石墨烯气凝胶或氧化石墨烯纸放在加热热源上,会有 2~5s 的预热,然后从其接触点开始迅速燃烧在整个氧化石墨烯气凝胶或氧化石墨烯纸,整个燃烧过程只需 0.01s 左右,即完成燃烧,反应迅速。在300℃时,将氧化石墨烯气凝胶或氧化石墨烯纸放在加热热源上基本不需要预热,直接就从接 触点开始迅速燃烧完全,整个燃烧过程也仅需 0.01s。 通过本发明方法所得纳米孔洞石墨烯气凝胶或纳米孔洞石墨烯纸的纳米孔洞范围在1.5nm-100nm 之间,既含有微孔,也含有介孔和大孔;比表面积在 280-1000m2 /g 之间。 本发明中,在氧化石墨烯的制备过程中,由于强烈的氧化作用引入了大量的缺陷和含氧官能团。经过冷冻干燥或恒温干燥,制备成氧化石墨烯气凝胶或氧化石墨烯纸后,干燥的氧化石墨烯气凝胶或氧化石墨烯纸接触热源,接触点处缺陷位置的碳达到着火点发生自燃,在燃烧点产生一部分的纳米孔洞,同时产生大量的热,使含氧官能团以气体的形式（CO2,O2,CO,H2O）迅速脱去,产生较大的层间气压,大于层间范德瓦耳斯力从而使层间剥离并膨胀,此外逸出的气体在石墨烯结晶性能较差的位置打出纳米孔洞。燃烧产生的热提供给相邻氧化石墨烯,使其燃烧并产生相同的实验效果。整个燃烧过程不超过 0.01s。 与已有技术相比,本发明有益效果体现在： 1、本发明通过将氧化石墨烯悬浮液直接冷冻干燥或恒温干燥得到氧化石墨烯气凝胶或氧化石墨烯纸作为实验的原始材料,避免了利用氧化石墨烯粉末材料带来的粉末飘飞问题;也避免了利用干燥的氧化石墨烯大块固体加热膨胀带来的危险和采集不便,绿色、环保、安全。 2、本发明利用加热台在相对较低的温度下（≥200℃）,在空气气氛中,直接接触加热热源还原氧化石墨烯,不需要特殊的密封、真空、气体处理以及高温高压的条件。 3、本发明在操作过程中无任何污染物的添加,绿色环保,快速便利。 4、本发明的制备方法可大规模且快速高效制大比表面积、纳米孔洞还原氧化石墨烯,其性价比较高,所得石墨烯纳米孔洞范围在 1.5nm-100nm 区间,既含有微孔,也含有介孔和大孔。其比表面积在 280-1000m2/g 之间;并可将其利用在超级电容器、锂离子电池、导电填充剂等各种领域。