一種功能性器件、多孔類石墨烯宏觀體及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于石墨烯領域，特別涉及一種功能性器件、多孔類石墨烯宏觀體及其制 備方法。
【背景技術】
[0002] 2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈· K ·海姆（Andre K. Geim)等采用機械剝離 法首次制備得到石墨烯（Graphene)，由此拉開了該材料制備、運用研宄的序幕。所謂石墨 烯，是指碳原子之間呈六角環形排列的一種片狀體，通常由單層或多層石墨片層構成，可在 二維空間無限延伸，可以說是嚴格意義上的二維結構材料。其具有比表面積大、導電導熱 性能優良、熱膨脹系數低等突出優點：具體而言，高的比表面積（理論計算值：2630m 2/g); 高導電性、載流子傳輸率（200000cm2/V· s);高熱導率（5000W/mK);高強度，高楊氏模量 (IlOOGPa)，斷裂強度（125GPa)。因此其在儲能領域、熱傳導領域以及高強材料領域具有極 大的運用前景。
[0003] 隨著研宄的深入，研宄者發現，以石墨烯或類石墨烯為起點，可以組裝得到形貌、 性能各異的宏觀體，例如氣液界面自組裝得到石墨烯薄膜、水熱合成得到石墨烯三維宏觀 體等等；同時，還可以以石墨烯或類石墨烯為載體，復合得到各種復合物，例如石墨烯與硅 復合得到石墨烯-硅復合材料、氧化石墨烯與氧化物復合后再熱處理得到石墨烯-氧化物 復合物等。這些復合物往往兼具石墨烯和另一用于復合的物質的共同優點，因此具有更為 廣闊的運用前景。
[0004] 然而，由于石墨烯是二維平面結構，其在平面上的尺寸一定會限制物質從石墨烯 的一個面轉移至另一個面，從而影響整個宏觀體或復合物性能的發揮。
[0005] 有鑒于此，確有必要開發一種新的石墨烯宏觀體，其結構不會阻礙物質從構成該 石墨烯宏觀體的石墨烯片的一面向另一面轉移的過程。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于：針對現有技術的不足，而提供的一種多孔類石墨烯宏觀體及 其制備方法：構成該多孔類石墨烯宏觀體的類石墨烯片層傾向于同向排布，且整個宏觀體 中分布有貫穿的直孔。類石墨烯片場傾向于同向排布避免了雜亂排布時石墨烯片層之間組 成物質無法進出的封閉區域；而分布于宏觀體中的貫穿孔可以作為物質傳輸通道，極大的 縮短了物質從石墨烯片層的一側繞過石墨烯片層邊緣傳遞到石墨烯片層另一側時的傳輸 路徑；貫穿直孔可以作為物質在不同石墨烯片層之間的傳輸通道，從而避免了不同石墨烯 片層孔不對應時，物質從一片石墨烯片層孔洞經過石墨烯片層表面傳遞到另一石墨烯片層 孔洞處的距離。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0008] 一種多孔類石墨烯宏觀體，所述類石墨烯宏觀體中含有類石墨烯，不低于20%的 所述類石墨烯片層傾向于同向排列（即石墨烯宏觀體中含有的石墨烯片層所在平面與石 墨烯宏觀體所在平面的夾角小于45° )，且整個宏觀體中分布有貫穿的直孔。
[0009] 作為本發明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進，所述宏觀體中含有的類石墨烯包括 氧化石墨烯、石墨烯、改性石墨烯、石墨烯復合物和氧化石墨烯復合物中的至少一種。
[0010] 作為本發明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進，所述石墨烯復合物是指以石墨烯或 改性石墨烯為基體，在石墨烯或改性石墨烯的片層表面或/和片層之間復合功能性物質得 到的復合物；所述氧化石墨烯復合物是指以氧化石墨烯為基體，在氧化石墨烯的片層表面 或/和片層之間復合功能性物質得到的復合物。
[0011] 作為本發明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進，所述石墨烯復合物中復合的功能性 物質包括催化劑、電極活性物質、導熱材料、導電材料和填料中的至少一種；所述氧化石墨 烯復合物中復合的功能性物質包括催化劑、電極活性物質、導熱材料、導電材料和填料中的 至少一種；所述催化劑是一種改變反應速率但不改變反應總標準吉布斯自由能的物質，例 如作為苯酚與甲醛反應合成酚醛樹脂的催化劑氫氧化鈉、作為氯酸鉀生成氯化鉀和氧氣的 催化劑二氧化錳等；所述電極活性物質為具有電化學容量的物質，例如硅、石墨、鈷酸鋰、硫 等；導熱材料為具有良好導熱性能的材料，如金屬銅等；導電材料為具有良好導電性能的 材料，例如碳納米管、銀等；填料是作為輔助組分的材料。
[0012] 作為本發明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進，所述傾向于同向排列的類石墨烯片 層的比例不低于50%。
[0013] 作為本發明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進，所述宏觀體中分布的貫穿直孔為完 全貫穿直孔或部分貫穿直孔，且孔方向傾向于垂直于類石墨烯片層排列方向。
[0014] 本發明還包括一種多孔類石墨烯宏觀體的制備方法，主要包括如下步驟：
[0015] 步驟1，類石墨稀宏觀體的制備：采用定向排列方法，將類石墨稀片層做傾向于定 向的排列并組裝得到宏觀體，即類石墨烯宏觀體；
[0016] 步驟2,多孔類石墨烯宏觀體的制備：采用打孔方法，對步驟1得到的類石墨烯宏 觀體進行打孔，且所述孔為貫穿孔。
[0017] 作為本發明多孔類石墨烯宏觀體制備方法的一種改進，步驟1中所述的定向排列 方法包括氣液界面自組裝、磁化排布和過濾制作濾餅中的至少一種；所述氣液界面自組裝 方法是指在加熱的狀況下，片層材料在溶液的表面（即氣液兩相交接面）自發組裝排布的 方法；磁化排布是指在磁場的作用力下，被磁化材料定向排布的方法；過濾制作濾餅的方 法是指將含有片層材料的懸濁液過濾，片層材料沉積并自發形成定向排布的方法。
[0018] 作為本發明多孔類石墨烯宏觀體制備方法的一種改進，步驟2所述的打孔方法包 括激光燒蝕、離子轟擊和機械打孔中至少一種。
[0019] 一種功能性器件，其特征在于，使用了權利要求1所述的多孔類石墨烯宏觀體。
[0020] 本發明的優點在于：
[0021] 首先，提供了一種多孔類石墨烯宏觀體：構成該多孔類石墨烯宏觀體的類石墨烯 片層傾向于同向排布，且整個宏觀體中分布有貫穿的直孔。類石墨烯片場傾向于同向排布 避免了雜亂排布時石墨烯片層之間組成物質無法進出的封閉區域；而分布于宏觀體中的貫 穿孔可以作為物質傳輸通道，極大的縮短了物質從石墨烯片層的一側繞過石墨烯片層邊緣 傳遞到石墨烯片層另一側時的傳輸路徑；貫穿直孔可以作為物質在不同石墨烯片層之間的 傳輸通道，從而避免了不同石墨烯片層孔不對應時，物質從一片石墨烯片層孔洞經過石墨 烯片層表面傳遞到另一石墨烯片層孔洞處的距離。
[0022] 其次，提供了一種多孔類石墨烯宏觀體的制備方法，該方法簡單易行，成本低廉， 效率極高，便于工業化運用推廣。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合【具體實施方式】對本發明及其有益效果進行詳細說明，但本發明的實施方 式不限于此。
[0024] 比較例1，石墨烯宏觀體制備：將氧化石墨烯與去離子水混合得到氧化石墨烯溶 液，之后采用氣液界面自組裝方法（即將氧化石墨烯水溶液盛于燒杯中，之后將燒杯置于 80°C水浴鍋中加熱，在燒杯中的溶液表面將自組裝生成一層氧化石墨烯薄膜）制備得到氧 化石墨烯薄膜，之后撈出、干燥，再在氬氣氛下500°C熱處理2h，即可得到石墨烯宏觀體。
[0025] 比較例2,石墨烯-硅復合物宏觀體制備：將氧化石墨烯、納米硅粉以及去離子水 混合得到穩定的較好的懸濁液，之后采用單層濾紙進行過濾得到濾餅，烘干后再在氬氣氛 下500°C熱處理2h，即可得到石墨烯-硅復合物宏觀體。
[0026] 實施例1，與比較例1不同的是，本實施例包括如下步驟：
[0027] 石墨烯宏觀體制備：同比較例1。
[0028] 多孔石墨稀宏觀體制備：采用機械打孔的方法，在上述石墨稀宏觀體面上打圓孔， 孔間距為1_，孔直徑為0. 2_，得到多孔石墨烯宏觀體。
[0029] 實施例2,與實施例1不同的是，本實施例包括如下步驟：
[0030] 石墨烯宏觀體制備：同比較例1。
[0031] 多孔石墨稀宏觀體制備：采用機械打孔的方法，在上述石墨稀宏觀體面上打圓孔， 孔間距為〇· 5mm，孔直徑為0· 1mm，得到多孔石墨烯宏觀體。
[0032] 實施例3,與實施例1不同的是，本實施例包括如下步驟：
[0033] 石墨烯宏觀體制備：同比較例1。
[0034] 多孔石墨稀宏觀體制備：采用機械打孔的方法，在上述石墨稀宏觀體面上打圓孔， 孔間距為0. 2mm，孔直徑為0. 05mm，得到多孔石墨稀宏觀體。
[0035] 實施例4,與實施例1不同的是，本實施例包括如下步驟：
[0036] 石墨烯宏觀體制備：同比較例1。
[0037] 多孔石墨烯宏觀體制備：采用激光打孔的方法，在上述石墨烯宏觀體面上打圓孔， 孔間距為0. 1mm，孔直徑為0. 02mm，得到多孔石墨烯宏觀體。
[0038] 實施例5,與比較例1不同的是，本實施例包括如下步驟：
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