CN110877907A - 一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，包括：A)提供具有规则排布孔结构的模板材料；B)在所述模板材料上复合石墨烯材料；C)采用化学腐蚀或者激光处理的方式在石墨烯材料上制备具有规则排布的孔结构；D)去除模板，得到具有规则排布孔结构的石墨烯材料。本发明以石墨烯为原料，首先制备具有规则排布的孔结构的模板，然后将模板盖在石墨烯材料之上，然后通过化学腐蚀，或者激光处理的方式，在石墨烯上形成孔结构，最后去除模板，得到具有规则排布的孔结构的石墨烯材料。本发明制备工艺简单，反应过程容易控制，所需设备简单，操作方便，所需时间短。

Description

一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯材料是单层的石墨，每个碳原子都是sp2杂化，然后组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。由于石墨烯中碳原子的柔韧性以及其表面电子密度的异常均匀赋予了它优异的力学和电学性能，且碳原子上易于引入其他官能团，并与其他材料键合，因此有望被用于复合材料上。此外由于石墨烯本身是一个大的共轭体系，所以石墨烯复合材料中，石墨烯的共轭结构也可以与其他材料的电子体系相互影响，从而改变其理化性质。
石墨烯材料和其他材料的复合研究较多，但是具有规则排布的孔结构的石墨烯材料的报道较少。合成该类型的材料，可以研究周期性变化的共轭结构对于其他复合材料的影响，有望对于复合材料性能的产生进一步的提高
提供一种具有规则排布的孔结构的石墨烯材料及其制备方法是非常必要的，现有技术的方法内生长法制备的多孔石墨烯容易团聚，且不易形成有序的孔道结构。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料的制备方法，本发明的制备方法制备得到的石墨烯材料不易发生团聚，并且易形成有序的孔道结构。
本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，包括：
A)提供具有规则排布孔结构的模板材料；
B)在所述模板材料上复合石墨烯材料；
C)采用化学腐蚀或者激光处理的方式在石墨烯材料上制备具有规则排布的孔结构；
D)去除模板，得到具有规则排布孔结构的石墨烯材料。
优选的，所述模板材料选自氧化铝模板、高分子模板、金属模板、二氧化硅模板和分子筛模板中的一种或几种。
优选的，所述模板材料的孔径为0.1nm～100nm；所述模板材料的排布方式为规则矩阵方式排布或六角网格结构。
优选的，所述模板材料的制备方法选自电化学沉积、化学聚合、直接旋涂、物理沉积和自组装中的一种或者多种。
优选的，步骤B)所述复合方式具体为：将石墨烯用溶剂溶解后，旋涂于模板材料上。
优选的，所述旋涂的转速为100～10000r/min；所述旋涂时间为10s～100s。
优选的，步骤C)所述化学腐蚀具体为采用KMnO4溶液腐蚀，所述KMnO4溶液浓度为0.01-1mol/L，腐蚀处理时间为0.1-100min；所述激光处理参数具体为：激光功率为0.01～100w；处理时间为1～100s。
优选的，步骤D)所述去除模板的方法具体为：超声1～100s或者采用0.01～1mol/L的酸溶解1～100min去除。
本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。
优选的，所述石墨烯材料孔道的直径为0.1nm～100nm。
与现有技术相比，本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，包括：A)提供具有规则排布孔结构的模板材料；B)在所述模板材料上复合石墨烯材料；C)采用化学腐蚀或者激光处理的方式在石墨烯材料上制备具有规则排布的孔结构；D)去除模板，得到具有规则排布孔结构的石墨烯材料。本发明以石墨烯为原料，首先制备具有规则排布的孔结构的模板，然后将模板盖在石墨烯材料之上，然后通过化学腐蚀，或者激光处理的方式，在石墨烯上形成孔结构，最后去除模板，得到具有规则排布的孔结构的石墨烯材料。本发明制备工艺简单，反应过程容易控制，所需设备简单，操作方便，所需时间短。
附图说明
图1为本发明制备流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，包括：
A)提供具有规则排布孔结构的模板材料；
B)在所述模板材料上复合石墨烯材料；
C)采用化学腐蚀或者激光处理的方式在石墨烯材料上制备具有规则排布的孔结构；
D)去除模板，得到具有规则排布孔结构的石墨烯材料。
本发明首先提供具有规则排布孔结构的模板材料。其中，所述模板材料优选选自氧化铝模板、高分子模板、金属模板、二氧化硅模板和分子筛模板中的一种或几种。
其中高分子模板可以为聚苯乙烯，聚丙烯酸酯等。
金属模板可以为Au，Al，Cu等。
所述模板材料的孔径优选为0.1nm～100nm；更优选为1nm～100nm；最优选为10nm～100nm；所述模板材料的排布方式为规则矩阵方式排布或六角网格结构；还可以是其他规则排布方式，本发明对此不进行限定。
本发明对于所述模板材料的来源不进行限定，可以是市售，还可以是本领域技术人员熟知的方式制备。
按照本发明，所述模板材料的制备方法选自电化学沉积、化学聚合、直接旋涂、物理沉积和自组装中的一种或者多种。本发明对于上述具体方式不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。
在所述模板材料上复合石墨烯材料；所述复合方式具体为：将石墨烯用溶剂溶解后，旋涂于模板材料上。
按照本发明，所述溶剂优选为乙醇；本发明所述石墨烯和乙醇的比例为1g：1-1000mL其中，所述旋涂的转速优选为100～10000r/min；更优选为500～9000r/min；最优选为1000～8000r/min；所述旋涂的时间优选为10s～100s；更优选为20s～80s；最优选为30s～70s。
所述旋涂石墨烯材料的厚度优选为1-100微米；更优选为10-90微米
复合之后得到模板材料层和设置于模板材料层上的石墨烯层。
采用化学腐蚀或者激光处理的方式在石墨烯材料上制备具有规则排布的孔结构。
具体为利用模板的孔为基准，采用化学腐蚀或者激光处理的方式，在石墨烯材料上制备具有等同于模板孔径的规则排布的孔结构。
其中，所述化学腐蚀具体为采用KMnO4溶液腐蚀，所述KMnO4溶液浓度为0.01-1mol/L，腐蚀处理时间为0.1-100min；所述激光处理参数具体为：激光功率优选为0.01～100w；更优选为1～90w；最优选为10～80w；处理时间优选为1～100s；更优选为10～90s；最优选为20～80s。
去除模板，得到具有规则排布孔结构的石墨烯材料。
所述去除模板的方法具体为：将处理后的材料优选超声1～100s；更优选超声10～90s；
或者：
将处理后的材料优选采用0.01～1mol/L的酸溶解1～100min去除；更优选采用0.1～0.9mol/L的酸溶解10～90min去除；其中酸优选为有机酸；例如可以为草酸，柠檬酸，乙酸，氢氟酸，硫酸，盐酸等；所述酸的浓度优选为0.1～1mol/L；更优选为0.4～0.8mol/L；最优选为0.5～0.7mol/L。
图1为本发明制备流程示意图。
本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。
按照本发明，所述石墨烯材料其表面具有多个孔道，其孔道的排布具有一定的规律性。所述孔道的直径为0.1nm～100nm。
本发明提供了一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，包括：A)提供具有规则排布孔结构的模板材料；B)在所述模板材料上复合石墨烯材料；C)采用化学腐蚀或者激光处理的方式在石墨烯材料上制备具有规则排布的孔结构；D)去除模板，得到具有规则排布孔结构的石墨烯材料。本发明以石墨烯为原料，首先制备具有规则排布的孔结构的模板，然后将模板盖在石墨烯材料之上，然后通过化学腐蚀，或者激光处理的方式，在石墨烯上形成孔结构，最后去除模板，得到具有规则排布的孔结构的石墨烯材料。本发明制备工艺简单，反应过程容易控制，所需设备简单，操作方便，所需时间短。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料及其制备方法进行详细描述。
实施例1
具有规则排布的孔结构的石墨烯材料的制备流程如下：
(1)直接选取孔径为100nm的多孔氧化铝模版材料。
(2)将石墨烯用乙醇按照1g：100mL比例稀释后，滴加在多孔氧化铝模版材料上旋涂石墨烯材料，旋涂转速1000转/min，旋涂时间20s；
(3)利用0.1W的脉冲激光处理10s，在石墨烯上制备具有规则排布的孔结构。
(4)使用0.5mol/L的草酸溶液处理5min去除多孔氧化铝模板，得到具有规则排布的孔结构的石墨烯材料。
本实施例得到的石墨烯材料没有发生团聚，并且形成有序的六角蜂窝状孔道结构。
实施例2
具有规则排布的孔结构的石墨烯材料的制备流程如下：
(1)直接选取孔径为50nm的多孔二氧化硅模版材料，孔排布方式为六角蜂窝状
(2)将石墨烯用乙醇按照1g：100mL比例稀释后，滴加在多孔氧化铝模版材料上旋涂石墨烯材料，旋涂转速2000转/min，旋涂时间30s；
(3)利用0.1W的脉冲激光处理20s，在石墨烯上制备具有规则排布的孔结构。
(4)使用0.5mol/L的氢氟酸液处理5min去除多孔二氧化硅模板，得到具有规则排布的孔结构的石墨烯材料。
本实施例得到的石墨烯材料没有发生团聚，并且形成有序的六角蜂窝状孔道结构。
实施例3
具有规则排布的孔结构的石墨烯材料的制备流程如下：
(1)直接选取孔径为20nm的分子筛模版材料，孔排布方式为六角蜂窝状。
(2)将石墨烯用乙醇按照1g：100mL比例稀释后，滴加在多孔氧化铝模版材料上旋涂石墨烯材料，旋涂转速500转/min，旋涂时间10s；
(3)利用0.1W的脉冲激光处理10s，在石墨烯上制备具有规则排布的孔结构。
(4)使用0.3mol/L的硫酸液处理10min去除分子筛模板，得到具有规则排布的孔结构的石墨烯材料。
本实施例得到的石墨烯材料没有发生团聚，并且形成有序的六角蜂窝状孔道结构。
实施例4
具有规则排布的孔结构的石墨烯材料的制备流程如下：
(1)直接选取孔径为80nm的金属模版材料，孔排布方式为矩阵型排布
(2)将石墨烯用乙醇按照1g：100mL比例稀释后，滴加在多孔氧化铝模版材料上旋涂石墨烯材料，旋涂转速5000转/min，旋涂时间50s；
(3)利用0.1W的脉冲激光处理40s，在石墨烯上制备具有规则排布的孔结构。
(4)使用0.8mol/L的盐酸液处理50min去除金属模板，得到具有规则排布的孔结构的石墨烯材料。
本实施例得到的石墨烯材料没有发生团聚，并且形成有序的矩阵型排布孔道结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，其特征在于，包括：
A)提供具有规则排布孔结构的模板材料；
B)在所述模板材料上复合石墨烯材料；
C)采用化学腐蚀或者激光处理的方式在石墨烯材料上制备具有规则排布的孔结构；
D)去除模板，得到具有规则排布孔结构的石墨烯材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板材料选自氧化铝模板、高分子模板、金属模板、二氧化硅模板和分子筛模板中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板材料的孔径为0.1nm～100nm；所述模板材料的排布方式为规则矩阵方式排布或六角网格结构。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板材料的制备方法选自电化学沉积、化学聚合、直接旋涂、物理沉积和自组装中的一种或者多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B)所述复合方式具体为：将石墨烯用溶剂溶解后，旋涂于模板材料上。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述旋涂的转速为100～10000r/min；所述旋涂时间为10s～100s。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C)所述化学腐蚀具体为采用KMnO4溶液腐蚀，所述KMnO4溶液浓度为0.01-1mol/L，腐蚀处理时间为0.1-100min；
所述激光处理参数具体为：激光功率为0.01～100w；处理时间为1～100s。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤D)所述去除模板的方法具体为：超声1～100s或者采用0.01～1mol/L的酸溶解1～100min去除。
9.一种具有规则排布孔结构的石墨烯材料，其特征在于，由权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的具有规则排布孔结构的石墨烯材料，所述石墨烯材料孔道的直径为0.1nm～100nm。
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