一種三維石墨烯的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米材料制備領域，特別是一種可應用于鋰離子電池和超級電容器的自支撐三維石墨烯的制備方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由碳原子組成的單片層結構的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的層狀六方蜂窩結構平面薄膜，只有一個碳原子的厚度。
[0003]石墨烯具有優越的導電性能和極大的比表面積；由其衍生的三維石墨烯繼承了石墨烯的優點，并通過三維結構獲得了極大的表面積，在鋰電池、超級電容器及催化等領域有廣泛的應用前景。
[0004]三維石墨烯的制備方法主要包括基于還原氧化石墨烯GO的方法，金屬模板生長法和氯化錢發泡法。文獻(Z.Tang, S.Shen, J.Zhuang and X.Wang, Angew.Chem.1nt.Ed.，2010，49，4603.)采用還原GO的方法制備三維石墨稀，此三維石墨稀的親水性能優秀，然而氧化石墨烯G O的制備牽涉一系列危險藥品，制備過程相對復雜，工藝粗糙，容易造成環境污染。文獻(Z.Chen, ff.Ren, L.Gao, B.Liu, S.Pei and H.-Μ.Cheng, NatureMater.，2011, 10, 424.)中采用泡沫鎳生長三維石墨稀，再去除鎳模板，得到三維石墨烯，可得到厚度極薄的三維石墨烯，但是采用金屬模板勢必造成極大的資源浪費，其中的成本也不利于產業化。文獻(Wang X, Zhang Y, Zhi C，et al.Three-dimens1nalstrutted graphene grown by substrate-free sugar blowing for high-power-densitysupercapacitors.Nature communicat1ns, 2013, 4)米用氯化錢發泡法制備三維石墨稀，發泡孔徑不一，薄層區域明顯較少。其該方法中氯化銨作用只在于發泡，不能提高產量，因此會造成氯化銨的浪費，同時葡萄糖自發泡效果不佳，并且沒有摻雜，電學傳輸性能不如摻雜石墨烯好。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種三維石墨烯的制備方法。
[0006]實現本發明目的的技術解決方案為:一種自支撐氮摻雜三維石墨烯的制備方法，在惰性氣氛下，加熱色氨酸粉末至一定溫度，并保溫一定時間，隨后冷卻至室溫，具體包括如下步驟:
[0007]步驟1、將色氨酸置于惰性氣氛中；
[0008]步驟2、升溫至1000?1400°C，并保溫0.5?5h，隨后自然冷卻至室溫；
[0009]步驟3、反應結束后，取出樣品。
[0010]步驟2中，升溫速率為4?10°C /min。
[0011]與現有技術相比，本發明的優點是:(1)以色氨酸為碳源，引入氮原子摻雜石墨烯，顯著提高電學傳輸性能；(2)無需其他發泡劑輔助，自發泡效果更好，工藝簡單。
【附圖說明】
[0012]圖1為發明實例I制備的三維石墨烯的SEM圖。
[0013]圖2為發明實例I制備的三維石墨烯的EDS圖。
【具體實施方式】
[0014]采用色氨酸為自發泡碳源制備進行三維石墨烯的，第一步稱取一定質量色氨酸，第二步以一定加熱速率升溫至指定溫度保溫指定時間，引入氮原子摻雜石墨烯，顯著提高電學傳輸性能。具體步驟包括以下:
[0015]步驟1、稱取色氨酸，放置爐體中；
[0016]步驟2、惰性氣氛下，以一定加熱速率加熱粉末至指定溫度并保溫一段時間，隨后冷卻至室溫；
[0017]步驟3、反應結束后，取出樣品。
[0018]實施例1:
[0019]采用色氨酸為前驅體制備三維石墨烯，第一步稱取一定質量色氨酸，第二步升溫到指定溫度保溫一定時間，制備自支撐三維石墨稀泡沫。
[0020]步驟1、稱取色氨酸，放置爐體中；
[0021]步驟2、惰性氣氛下，將反應體系以4°C /min升溫到1000°C，并保溫0.5h ;
[0022]步驟3、反應爐冷卻至室溫，反應結束后，取出樣品。
[0023]對樣品進行光學和SEM表征如圖1、2所示。結果表明，按照實施例1的工藝參數，可獲得孔洞較大且彼此連通，透光性較好，由碳骨架自支撐的三維石墨烯。
[0024]實施例2:
[0025]采用色氨酸為前驅體制備三維石墨烯，第一步稱取一定質量色氨酸，第二步升溫到指定溫度保溫一定時間，制備自支撐三維石墨稀泡沫。
[0026]步驟1、稱取色氨酸，放置爐體中；
[0027]步驟2、惰性氣氛下，將反應體系以6°C /min升溫到1200°C，并保溫2h ;
[0028]步驟3、反應爐冷卻至室溫，反應結束后，取出樣品。
[0029]對樣品進行SEM、EDS表征同例I。
[0030]實施例3:
[0031]采用色氨酸為前驅體制備三維石墨烯，第一步稱取一定質量色氨酸，第二步升溫到指定溫度保溫一定時間，制備自支撐三維石墨稀泡沫。
[0032]步驟1、稱取色氨酸，放置爐體中；
[0033]步驟2、惰性氣氛下，將反應體系以10 °C /min升溫到1400 °C，并保溫5h ;
[0034]步驟3、反應爐冷卻至室溫，反應結束后，取出樣品。
[0035]對樣品進行SEM、EDS表征同例I。
[0036]本發明以色氨酸為碳源，高溫下自發泡制備石墨烯，免去實用發泡劑且發泡效果更佳；由于前驅體含有有機氮，在色氨酸碳化和發泡的過程中，更起到化學摻雜的效果，提高石墨烯電學性能。
【主權項】
1.一種三維石墨烯的制備方法，其特征在于，在惰性氣氛下，升溫加熱色氨酸粉末并保溫一定時間，隨后自然冷卻至室溫，得到所述三維石墨烯。2.如權利要求1所述的三維石墨烯的制備方法，其特征在于，升溫溫度為1000?1400。。。3.如權利要求1所述的三維石墨烯的制備方法，其特征在于，保溫時間為0.5?5h。4.如權利要求1所述的三維石墨烯的制備方法，其特征在于，升溫速率為4?10°C/min05.如權利要求1所述的三維石墨烯的制備方法，其特征在于，惰性氣氛采用氮氣或氬氣或其混合氣體。
【專利摘要】本發明公開了一種三維石墨烯的制備方法，采用色氨酸為碳源，在惰性氣體保護下，升溫至指定溫度并保溫一定時間，從而制得自支撐的三維石墨烯。本發明以色氨酸為碳源，引入氮原子摻雜石墨烯，顯著提高電學傳輸性能；本發明無需其他發泡劑輔助，自發泡效果更好，工藝簡單。
【IPC分類】C01B31/04
【公開號】CN105110322
【申請號】CN201510465712
【發明人】曾海波, 吉建平, 嚴仲, 宋秀峰
【申請人】南京理工大學
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年8月3日