一種多孔類石墨烯及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于石墨烯技術領域，特別涉及一種多孔類石墨烯及其制備方法。
【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] 具體來說，由于石墨烯具有優異的導電性能，且本身的質量極輕，因此能夠有效的 降低導電劑用量，增加電極中活性物質的含量，提高電池的能量密度；同時還能降低電池的 內阻，提高電池的放電電壓，減少充放電過程中的產熱；因此石墨烯是鋰離子電池導電劑的 理想選擇之一。然而，石墨烯本身的二維結構，極大的限制了鋰離子在垂直于石墨烯片場方 向上的擴散，從而降低了石墨烯作為鋰離子電池導電劑性能的發揮。
[0004] 有鑒于此，確有必要開發一種新的石墨烯材料，其結構不會阻礙離子在垂直于石 墨烯片層方向上的傳輸。
【發明內容】
[0005] 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材料：該 類石墨烯片層材料厚度為0. 3-350nm，片層平面等效半徑不小于5nm ;且類石墨烯片層內部 分布有多孔結構，所述多孔結構的孔大小、孔間距及孔形狀可以根據實際需要進行調節；該 結構的材料有效的解決了離子在垂直于石墨烯片層方向上的傳輸問題。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0007] -種類石墨烯材料，所述類石墨烯的片層厚度為0. 3_350nm，片層平面的等效半徑 不小于5nm ;且類石墨烯片層內部分布有多孔結構；且所述孔形狀為圓形、正方形、三角形、 梯形或六邊形，相鄰兩孔邊緣之間的距離（孔間距）大于等于5nm，孔的等效直徑大于等于 lnm。所述平面等效半徑是指將平面面積換算成一個圓面積時，所述圓的半徑；所述孔的等 效直徑是指將孔面積換算成圓面積時圓的直徑。
[0008] 本發明還包括一種類石墨烯材料的制備方法，主要包括如下步驟：
[0009] 步驟1，原始類碳材料的定向排列：將原始類碳材料定向排列并組裝成為宏觀體；
[0010] 步驟2,打孔：采用打孔技術對步驟1所述的定向排列的原始類碳材料沿垂直于所 述原始類碳材料的片層平面的方向進行打孔，制備得到平面內部分布有多孔結構的多孔類 碳材料；
[0011] 步驟3,多孔類石墨烯材料的制備：對步驟2制得的多孔類碳材料進行后續處理， 得到多孔類石墨烯材料。
[0012] 作為本發明類石墨烯材料的制備方法的一種改進，步驟1中所述的原始類碳材料 為基本組成單元可以分解為片層結構的碳材料。
[0013] 作為本發明類石墨烯材料的制備方法的一種改進，步驟1中所述的原始類碳材料 為石墨、氧化石墨、氧化石墨烯、石墨烯、氧化石墨烯復合物、石墨烯復合物、B&N復合片層化 合物和云母片中的至少一種。所述氧化石墨烯復合物是指氧化石墨烯與其他功能材料的復 合物，功能材料包括電極材料（如硅、碳等）、導熱導電材料（如金屬材料）等；所述石墨烯 復合物是指石墨烯與其他功能材料的復合物，功能材料包括電極材料（如硅、碳等）、導熱 導電材料（如金屬材料）等；所述B&N是指硼氮兩種元素構成的片層材料。
[0014] 作為本發明類石墨烯材料的制備方法的一種改進，步驟1中所述的定向排列為將 原始類碳材料沿所述原始類碳材料的片層方向平鋪排列。
[0015] 作為本發明類石墨烯材料的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。
[0016] 作為本發明類石墨烯材料的制備方法的一種改進，步驟2中所述的打孔方法包括 激光燒蝕、離子轟擊和機械打孔中的至少一種。
[0017] 作為本發明類石墨烯材料的制備方法的一種改進，步驟3中所述對多孔類碳材料 進行后續處理為將多片層類石墨材料片層剝離得到片層數不超過1000層的類石墨烯材 料。
[0018] 作為本發明類石墨烯材料的制備方法的一種改進，步驟3中所述對多孔類碳材料 進行后續處理的方法包括機械剝離法、氧化還原法和氧化解理法中的至少一種；剝離后得 到的類石墨烯材料的片層數不超過100層。
[0019] 作為本發明類石墨烯材料的制備方法的一種改進，步驟2所述的多孔類碳材料的 孔形狀為圓形、正方形、三角形、多邊形，相鄰兩孔邊緣之間的距離大于等于5nm，孔的等效 直徑大于等于Inm 0
[0020] 本發明的有益效果在于：與傳統的石墨烯不同，本發明所制備的石墨烯內部分布 有孔洞結構，作為電極材料時，不會影響到離子擴散，因此電池具有更好的倍率性能；同時， 本發明提供的造孔方法，造孔時能夠實現孔大小、孔間距及孔形狀的可控調節，因此能夠根 據實際使用需求制備得到具有更佳性能的石墨烯材料，且該方法能夠實現大批量多孔類石 墨烯材料的制備，具有廣闊的運用前景。
【具體實施方式】
[0021] 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。
[0022] 比較例1，石墨稀的制備：以鱗片石墨（片層等效直徑200um)為原料，加入濃硫 酸、高錳酸鉀在6°C下反應2h，之后于40°C下反應30min，再加入去離子水，之后升溫至95°C 反應2h即得到氧化石墨；之后純化、干燥、粉粹得到氧化石墨烯粉；最后于300°C下解理得 到石墨稀。
[0023] 比較例2,石墨稀的制備：以鱗片石墨（片層等效直徑500um)為原料，加入濃硫 酸、高錳酸鉀在6°C下反應2h，之后于40°C下反應30min，再加入去離子水，之后升溫至95°C 反應2h即得到氧化石墨；之后純化、干燥、粉粹得到氧化石墨烯粉；最后于300°C下解理得 到石墨稀。
[0024] 實施例1，石墨定向排列：將鱗片石墨（片層等效直徑200um)、氮甲基吡洛烷酮及 去離子水配置成漿料，之后涂敷在基材上，同時添加強磁場，使得石墨做石墨片層平行于基 材的定向排布，之后烘干固化即得到定向排布的石墨。
[0025] 打孔：采用激光技術，對上述定向排列的石墨打圓孔，孔間距為50um，孔徑為5um， 得到含有多孔結構的石墨。
[0026] 多孔石墨烯的制備：將上述涂層中的多孔石墨從基材上剝離下來作為原料，加入 濃硫酸、高錳酸鉀在6°C下反應2h，之后于40°C下反應30min，再加入去離子水，之后升溫至 95°C反應2h即得到氧化石墨；之后純化、干燥、粉粹得到氧化石墨烯粉；最后于300°C下解 理得到石墨烯。
[0027] 實施例2,與實施例1不同的是，本實施例包括如下步驟：
[0028] 石墨定向排列：同實施例1。
[0029] 打孔：采用激光技術，對上述定向排列的石墨打圓孔，孔間距為10·，孔徑為lum， 得到含有多孔結構的石墨。
[0030] 其余與實施例1相同，不再贅述。
[0031] 實施例3,與實施例1不同的是，本實施例包括如下步驟：
[0032] 石墨定向排列：同實施例1。
[0033] 打孔：采用激光技術，對上述定向排列的石墨打圓孔，孔間距為2um，孔徑為 0· 2um，得到含有多孔結構的石墨。
[0034] 其余與實施例1相同，不再贅述。
[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] 石墨定向排列：同實施例1。
[0037] 打孔：采用激光技術，對上述定向排列的石墨打圓孔，孔間距為0.5um，孔徑為 0· lum，得到含有多孔結構的石墨。
[0038] 其余與實施例1相同，不再贅述。
[003