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多孔石墨烯的制备方法

作者:上海儒佳机电科技有限公司   文章来源:上海儒佳机电科技有限公司   时间:2019-01-09

  多孔石墨烯和石墨烯有什么区别呢?

  多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料,是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质,而且相比惰性的石墨烯表面,孔的存在促进了物质运输效率的提高,特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子/分子的作用。更重要的是,孔的引入还有效地打开了石墨烯的能带隙,促进了石墨烯在电子器件领域的应用。

  什么是多孔石墨烯?

  多孔石墨稀是石墨稀的一种新型衍生物,是指在石墨烯的二维基面上具有纳米级孔道的碳材料。与完美晶格的石墨烯相比,具有空位的多孔石墨烯由于缺陷的存在,从而产生很多特有的性质,如开放的能带间隙、坚韧的机械性能及超大的比表面积等,进而使多孔石墨


烯在强化本征石墨烯光学、催化、传感和电化学储能性能等领域有着更为广泛的应用。

  多孔石墨烯的制备方法有哪些?

  多孔石墨烯的制备方法主要包括光刻蚀法、碳热还原法、湿法刻蚀、模板法、溶剂热法和化学气相沉积法。

  1.光刻蚀法

光刻蚀法是指利用高能的电子束、离子束或者光子束轰击石墨稀片层,用电子、离子或光子把碳原子从晶格中轰击出来,从而形成孔洞结构缺陷的方法。研究者将石墨粉在异丙醇里超声处理48h,然后离心取上清液滴在微栅上自然晾干,通过扫描电子显微镜对石墨烯进


行刻蚀,可在石墨烯表面形成直径小于10nm的孔。研究人员发现,利用重离子加速器提供的高能重离子对大面积石墨烯复合结构进行照射,也可以在石墨烯上形成纳米孔。

光刻技术优点是:能得到高质量的多孔石墨烯结构,缺点是:操作成本高,刻蚀过程中会产生污染物,并会打乱孔周围碳原子的排列,进而影响其对导电离子的运输性能。

  2.碳热还原法

  碳热还原法是将氧化石墨烯中的碳作为还原剂,还原金属氧化物得到金属单质,而碳原子在此过程中被刻蚀。国家纳米科学中心韩宝航研究员课题组利用碳热还原法,将石墨烯氧化物和金属氧酸盐或多金属氧酸盐在高温条件下产生石墨烯与金属氧化物纳米颗粒,两者


之间发生类似于焦炭高炉炼铁过程中的碳热还原反应,金属氧化物被石墨烯上的碳还原成金属或形成金属碳化物,而参与碳热还原反应的碳原子以二氧化碳或一氧化碳形式离开石墨烯片层,从而在石墨烯片层上刻蚀出纳米级的孔隙,即形成多孔石墨烯。

  碳热还原反应刻蚀制备多孔石墨烯优点是:适用范围广,同时制备量可以放大并不受方法的限制。

  3.湿法刻蚀法

  湿法刻蚀法也称为湿化学刻蚀法,是一种化学腐蚀技术。它主要是利用蚀刻剂与待雕刻材料之间的化学反应溶解薄膜,以达到刻蚀的目的。KOH是对多孔碳材料进行活化时经常被用到的有效试剂。碳材料经活化之后,表面生成的无机盐会影响碳原子的电子分布,进而


形成刻蚀。由此得到的疏松多孔结构将极大地提高碳材料的比表面积。先对石墨烯进行微波膨胀,再用KOH溶液浸泡,热还原处理制备得到多孔石墨烯。其表面积达到3100m2/g,高于石墨烯的理论表面积2630m2/g,孔径变化范围在0.6~5nm。

  4.模板法

  模板法是以具有微孔或介孔结构的有机或无机纳米材料为模板构型来控制修饰材料的形貌,从而改变材料特性的一种合成方法。国内哈尔滨工业大学、武汉理工大学研究者通过通过模板法,将不同尺寸石墨烯的组装,构建了多维石墨烯纳米线与三维多孔石墨烯一体全


石墨烯柔性电极材料。其工艺过程是利用大尺寸石墨烯包覆在多孔镍网上,然后利用小尺寸石墨烯与聚苯乙烯微球模板制作混合溶液滴到镍网微孔中;在镍网上得到多维石墨烯一体电极材料的前驱体;通过不同的退火温度下结构演变图,800℃退火取出模板后,刻蚀掉


镍网骨架后得到多维石墨烯纳米线与三维多孔石墨烯一体化全石墨烯柔性电极材料。

  该材料具有介于石墨与石墨烯之间的晶格特征,其在作为锂离子电池的负极材料时,展现了介于石墨与石墨烯之间的充放电平台,大的比容量,优异的倍率性能以及超长的循环寿命,其作为石墨烯组装体家族的新成员,在未来柔性轻便穿戴电极材料中具有广阔应用前景。

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