CN105692593A - 一种多孔石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多孔石墨烯的制备方法，具体步骤为：1)将石墨烯分散在NMP溶液中，超声振荡分散均匀得石墨烯分散液；2)将石墨烯分散液以负压抽滤的方式负载在滤膜上得薄膜状石墨烯薄膜；3)以薄膜状石墨烯薄膜为电极置于电解质溶液中电化学腐蚀得多孔石墨烯。该制备方法低成本，方便，快捷，不需要高温，孔的尺寸大小可控，得到的多孔石墨烯还可以原位进行后续处理。

Description

一种多孔石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯领域，具体涉及一种多孔石墨烯的制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因在二维石墨烯材料的开创性实验为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是可以做到单层碳原子二维排列，石墨烯蜂巢晶格常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池在半导体物理，催化等方面有重要应用价值。石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。
但是石墨烯是一种片状的二维材料，在你使用石墨烯的过程中，往往涉及到物质的传递和扩散，例如电解质的扩散，载流子的传递，气体的扩散。因为二维片状材料在叠加使用过程中不利于物质传递，因而严重影响石墨烯性能的发挥。此外石墨烯中的电子在层间传递速度快，但是电子从石墨烯注入到电解质或其他吸附的物质上时比较困难。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种多孔石墨烯的制备方法，通过电化学方法对石墨烯进行电化学腐蚀，利用电化学过程中的阳极氧化，及阴极析氢来腐蚀石墨烯，在电解液中对石墨烯进行腐蚀造孔，从而制得多孔石墨烯，且孔洞的尺寸可以为0.2nm-300nm，这些孔洞为物质(液态、气态)的传递提供了有效的通道，因而可以大大提高石墨烯的性能，该制备方法低成本，方便，快捷，不需要高温，不仅孔的尺寸大小可控，多孔石墨烯的形状亦可控，且得到的多孔石墨烯还可以原位进行后续处理。
本发明采用的技术方案为：
一种多孔石墨烯的制备方法，具体步骤为：
1)将石墨烯分散在NMP溶液中，超声振荡分散均匀得石墨烯分散液；
2)将石墨烯分散液以负压抽滤的方式负载在滤膜上得薄膜状石墨烯；
3)以薄膜状石墨烯为电极置于电解质溶液中电化学腐蚀得多孔石墨烯。
所述的制备方法，还包括步骤4)将多孔石墨烯分散在NMP溶液中，得分散的片状多孔石墨烯。
所述步骤3)中，以薄膜状石墨烯为电极接电源正极，进行阳极腐蚀。
所述步骤3)中，以薄膜状石墨烯为电极接电源负极，进行阴极腐蚀。
所述步骤1)中石墨烯分散液的质量浓度为2mg/ml-10mg/ml。
所述步骤2)中的滤膜为PP滤膜，或PTFE滤膜，所述滤膜的直径为27mm-100mm。
所述步骤3)中电化学腐蚀的电压为1-10v。
所述步骤3)中电化学腐蚀的时间为15min-180min。。
所述步骤3)中电解质溶液为稀硫酸、NaOH或CH3COOH。
本发明还提供一种经上述制备方法制备出的多孔石墨烯在作为担载材料上的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明以电化学腐蚀的方法，在电解液中对石墨烯腐蚀造孔。这种方法的优点是低成本，方便，快捷，不需要高温，孔的尺寸大小可控，得到的多孔石墨烯还可以原位进行后续处理。
本发明制备出来的多孔石墨烯依然保持着二维平面结构，但是在二维平面上有很多孔洞，这些孔洞为物质的传递提供了有效的通道，因而可以大大提高石墨烯的性能。此外，孔洞边缘的碳原子有利于载流子在石墨烯和石墨烯周围物质之间传递。经测试孔洞的尺寸为0.2nm-300nm。该方法还可通过特殊的机构利用纳米电极实现微观石墨烯的规则腐蚀，获得想要的图案。
附图说明
图1为实施例1制备的多孔石墨烯的透射电子显微镜图。
图2为实施例1中步骤1)中的石墨烯原料的透射电子显微镜图。
图3为实施例2制备的多孔石墨烯的透射电子显微镜图。
图4为应用例3多孔石墨烯担载MnO2纳米颗粒的TEM测试图。
具体实施方式
实施例1、一种多孔石墨烯的制备
具体步骤为：
1)以石墨烯为原料，将0.2g的石墨烯分散在100ml的NMP溶液中，超声振荡分散均匀得石墨烯分散液；
2)取10ml的石墨烯分散液以负压抽滤的方式负载在直径为50mm的四氟乙烯滤膜上，得薄膜状石墨烯；
3)以薄膜状石墨烯自身为电极，接电源正极，对电极为铂金电极接电源负极，在稀硫酸的电解质溶液中以1.5v电压下进行电化学腐蚀90min后，得多孔石墨烯；
4)将多孔石墨烯分散在NMP溶液中，重新获得分散开的片状多孔石墨烯。
将分散的片状多孔石墨烯做TEM表征，结果如图1所示，图中可以清晰的看见在片状的石墨烯上有很多多边形的孔洞存在。图2为实施例1中步骤1)中的石墨烯原料的透射电子显微镜图。对比图1和2，可以看出经过电化学腐蚀之后的石墨烯表面具有大量的孔洞。且能看出孔洞的尺寸分布范围为几个纳米至几十个纳米。
实施例2、一种多孔石墨烯的制备
具体步骤为：
1)以石墨烯为原料，将0.8g的石墨烯分散在100ml的NMP溶液中，超声振荡分散均匀得石墨烯分散液；
2)取10ml的石墨烯分散液以负压抽滤的方式负载在直径为90mm的PP滤膜上，得薄膜状石墨烯；
3)以薄膜状石墨烯自身为电极，接电源负极，对电极为铂金电极接电源正极，在CH3COOH的电解质溶液中以3.5v电压下进行电化学腐蚀180min后，得多孔石墨烯；
4)将多孔石墨烯分散在NMP溶液中，重新获得分散开的片状多孔石墨烯。
将分散的片状多孔石墨烯片做TEM表征，结果如图3所示为实施例2制备的多孔石墨烯的透射电子显微镜图，图中可以清晰的看见在片状的石墨烯上有很多多边形的孔洞存在。且能看出孔洞的尺寸分布范围最大至几百个纳米。
实施例3、一种多孔石墨烯的制备
具体步骤为：
1)以石墨烯为原料，将0.5g的石墨烯分散在100ml的NMP溶液中，超声振荡分散均匀得石墨烯分散液；
2)取10ml的石墨烯分散液以负压抽滤的方式负载在直径为80mm的PP滤膜上，得薄膜状石墨烯；
3)以薄膜状石墨烯自身为电极，接电源负极，对电极为铂金电极，在稀硫酸的电解质溶液中10v电压下进行电化学腐蚀130min后，得多孔石墨烯；
4)将多孔石墨烯分散在NMP溶液中，重新获得分散开的片状多孔石墨烯。
实施例4、一种多孔石墨烯的制备
1)以石墨烯为原料，将1.0g的石墨烯分散在100ml的NMP溶液中，超声振荡分散均匀得石墨烯分散液；
2)取10ml的石墨烯分散液以负压抽滤的方式负载在直径为50mm的PTFE滤膜上，得薄膜状石墨烯；
3)以薄膜状石墨烯自身为电极，接电源正极，对电极为铂金电极，在稀NaOH的电解质溶液中10v电压下进行电化学腐蚀180min后，得多孔石墨烯；
4)将多孔石墨烯分散在NMP溶液中，分散开的片状多孔石墨烯。
应用例1、一种多孔石墨烯在作为担载Ag纳米颗粒材料上的应用
将实施1中制备的片状多孔石墨烯用去离子水冲洗，然后转移到浓度为(0.001M)AgNO3和(0.01M)NaNO3混合溶液中，恒流电沉积Ag纳米颗粒，多孔石墨烯连接电源负极。经过30秒后取出多孔石墨获得Ag负载的多孔石墨烯材料。经过TEM测试，可以看到多孔石墨烯片上有Ag颗粒存在。
应用例2、一种多孔石墨烯在作为担载钨酸铋材料上的应用。
将实施例1中制备的片状多孔石墨烯用去离子水冲洗后和0.02mol硝酸铋、0.01mol钨酸铵在75ml水中混合，搅拌均匀后将混合液放入高压釜中，经过200度十小时的反应后，将混合液过滤获得担载钨酸铋的多孔石墨烯材料。经过TEM测试，可以看到多孔石墨烯片上有颗粒存在。经XRD测试，所得样品中含有Bi2WO6成分，因此推断负载在多孔石墨烯片上的物质为Bi2WO6。
应用例3、一种多孔石墨烯在作为担载MnO2纳米颗粒材料上的应用
将实施1中制备的片状多孔石墨烯用去离子水冲洗，然后转移到浓度为(0.001M)醋酸锰溶液中，直流稳压电沉积MnO2纳米颗粒，多孔石墨烯连接电源负极。经过10分钟后取出多孔石墨烯。经过TEM测试，TEM结果如图4所示，可以看到多孔石墨烯上有大量颗粒存在，可知MnO2纳米颗粒成功担载在多孔石墨烯上。

Claims (10)

1.一种多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
1)将石墨烯分散在NMP溶液中，超声振荡分散均匀得石墨烯分散液；
2)将石墨烯分散液以负压抽滤的方式负载在滤膜上得薄膜状石墨烯；
3)以薄膜状石墨烯为电极置于电解质溶液中电化学腐蚀得多孔石墨烯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤4)将多孔石墨烯分散在NMP溶液中，得分散的片状多孔石墨烯。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，以薄膜状石墨烯为电极接电源正极，进行阳极腐蚀。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，以薄膜状石墨烯为电极接电源负极，进行阴极腐蚀。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中石墨烯分散液的质量浓度为2mg/ml-10mg/ml。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的滤膜为四氟乙烯滤膜，PP滤膜，所述滤膜的直径为27mm-100mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中电化学腐蚀的电压为1-10v。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中电化学腐蚀的时间为15min-180min。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中电解质溶液为稀硫酸、NaOH或CH3COOH。
10.一种如权利要求1-9所述的制备方法制备出的多孔石墨烯在作为担载材料上的应用。
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