一種功能性器件、多孔類石墨烯宏觀體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石墨烯領(lǐng)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(shù)】
[0002] 2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈· K ·海姆（Andre K. Geim)等采用機(jī)械剝離 法首次制備得到石墨烯（Graphene)，由此拉開(kāi)了該材料制備、運(yùn)用研宄的序幕。所謂石墨 烯，是指碳原子之間呈六角環(huán)形排列的一種片狀體，通常由單層或多層石墨片層構(gòu)成，可在 二維空間無(wú)限延伸，可以說(shuō)是嚴(yán)格意義上的二維結(jié)構(gòu)材料。其具有比表面積大、導(dǎo)電導(dǎo)熱 性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)低等突出優(yōu)點(diǎn)：具體而言，高的比表面積（理論計(jì)算值：2630m 2/g); 高導(dǎo)電性、載流子傳輸率（200000cm2/V· s);高熱導(dǎo)率（5000W/mK);高強(qiáng)度，高楊氏模量 (IlOOGPa)，斷裂強(qiáng)度（125GPa)。因此其在儲(chǔ)能領(lǐng)域、熱傳導(dǎo)領(lǐng)域以及高強(qiáng)材料領(lǐng)域具有極 大的運(yùn)用前景。
[0003] 隨著研宄的深入，研宄者發(fā)現(xiàn)，以石墨烯或類石墨烯為起點(diǎn)，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(shí)，還可以以石墨烯或類石墨烯為載體，復(fù)合得到各種復(fù)合物，例如石墨烯與硅 復(fù)合得到石墨烯-硅復(fù)合材料、氧化石墨烯與氧化物復(fù)合后再熱處理得到石墨烯-氧化物 復(fù)合物等。這些復(fù)合物往往兼具石墨烯和另一用于復(fù)合的物質(zhì)的共同優(yōu)點(diǎn)，因此具有更為 廣闊的運(yùn)用前景。
[0004] 然而，由于石墨烯是二維平面結(jié)構(gòu)，其在平面上的尺寸一定會(huì)限制物質(zhì)從石墨烯 的一個(gè)面轉(zhuǎn)移至另一個(gè)面，從而影響整個(gè)宏觀體或復(fù)合物性能的發(fā)揮。
[0005] 有鑒于此，確有必要開(kāi)發(fā)一種新的石墨烯宏觀體，其結(jié)構(gòu)不會(huì)阻礙物質(zhì)從構(gòu)成該 石墨烯宏觀體的石墨烯片的一面向另一面轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)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(gòu)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(gè)宏觀體 中分布有貫穿的直孔。類石墨烯片場(chǎng)傾向于同向排布避免了雜亂排布時(shí)石墨烯片層之間組 成物質(zhì)無(wú)法進(jìn)出的封閉區(qū)域；而分布于宏觀體中的貫穿孔可以作為物質(zhì)傳輸通道，極大的 縮短了物質(zhì)從石墨烯片層的一側(cè)繞過(guò)石墨烯片層邊緣傳遞到石墨烯片層另一側(cè)時(shí)的傳輸 路徑；貫穿直孔可以作為物質(zhì)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(duì)應(yīng)時(shí)，物質(zhì)從一片石墨烯片層孔洞經(jīng)過(guò)石墨烯片層表面?zhèn)鬟f到另一石墨烯片層 孔洞處的距離。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(gè)宏觀體中分布有貫穿的直孔。
[0009] 作為本發(fā)明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進(jìn)，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(fù)合物和氧化石墨烯復(fù)合物中的至少一種。
[0010] 作為本發(fā)明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進(jìn)，所述石墨烯復(fù)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(fù)合功能性物質(zhì)得 到的復(fù)合物；所述氧化石墨烯復(fù)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(fù)合功能性物質(zhì)得到的復(fù)合物。
[0011] 作為本發(fā)明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進(jìn)，所述石墨烯復(fù)合物中復(fù)合的功能性 物質(zhì)包括催化劑、電極活性物質(zhì)、導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電材料和填料中的至少一種；所述氧化石墨 烯復(fù)合物中復(fù)合的功能性物質(zhì)包括催化劑、電極活性物質(zhì)、導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電材料和填料中的 至少一種；所述催化劑是一種改變反應(yīng)速率但不改變反應(yīng)總標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能的物質(zhì)，例 如作為苯酚與甲醛反應(yīng)合成酚醛樹(shù)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(zhì)為具有電化學(xué)容量的物質(zhì)，例如硅、石墨、鈷酸鋰、硫 等；導(dǎo)熱材料為具有良好導(dǎo)熱性能的材料，如金屬銅等；導(dǎo)電材料為具有良好導(dǎo)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(fā)明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進(jìn)，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(fā)明多孔類石墨烯宏觀體的一種改進(jìn)，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(fā)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(duì)步驟1得到的類石墨烯宏 觀體進(jìn)行打孔，且所述孔為貫穿孔。
[0017] 作為本發(fā)明多孔類石墨烯宏觀體制備方法的一種改進(jìn)，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(guò)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(fā)組裝排布的 方法；磁化排布是指在磁場(chǎng)的作用力下，被磁化材料定向排布的方法；過(guò)濾制作濾餅的方 法是指將含有片層材料的懸濁液過(guò)濾，片層材料沉積并自發(fā)形成定向排布的方法。
[0018] 作為本發(fā)明多孔類石墨烯宏觀體制備方法的一種改進(jìn)，步驟2所述的打孔方法包 括激光燒蝕、離子轟擊和機(jī)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(quán)利要求1所述的多孔類石墨烯宏觀體。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0021] 首先，提供了一種多孔類石墨烯宏觀體：構(gòu)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(gè)宏觀體中分布有貫穿的直孔。類石墨烯片場(chǎng)傾向于同向排布 避免了雜亂排布時(shí)石墨烯片層之間組成物質(zhì)無(wú)法進(jìn)出的封閉區(qū)域；而分布于宏觀體中的貫 穿孔可以作為物質(zhì)傳輸通道，極大的縮短了物質(zhì)從石墨烯片層的一側(cè)繞過(guò)石墨烯片層邊緣 傳遞到石墨烯片層另一側(cè)時(shí)的傳輸路徑；貫穿直孔可以作為物質(zhì)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(duì)應(yīng)時(shí)，物質(zhì)從一片石墨烯片層孔洞經(jīng)過(guò)石墨 烯片層表面?zhèn)鬟f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(jiǎn)單易行，成本低廉， 效率極高，便于工業(yè)化運(yùn)用推廣。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明及其有益效果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)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(fù)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(wěn)定的較好的懸濁液，之后采用單層濾紙進(jìn)行過(guò)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(fù)合物宏觀體。
[0026] 實(shí)施例1，與比較例1不同的是，本實(shí)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(jī)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(shí)施例2,與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)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(jī)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(shí)施例3,與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)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(jī)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(shí)施例4,與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)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(shí)施例5,與比較例1不同的是，本實(shí)施例包括如下步驟：
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