一種多孔石墨烯納米線及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米碳材料及其制備方法與應(yīng)用，特別涉及一種多孔石墨稀納米線及其制備方法以及其在用作電化學(xué)儲(chǔ)能材料、催化劑制備的載體材料、導(dǎo)電材料、吸附材料或者脫附材料等方面的應(yīng)用，屬于納米和化工材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]納米碳材料具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，尤其在電化學(xué)儲(chǔ)能、催化劑制備、透明導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電材料、增強(qiáng)材料、吸附和脫附材料等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。其中，基于SP2雜化的納米碳材料具有優(yōu)異的機(jī)械韌性和導(dǎo)電能力。比如，基于SP2雜化的碳原子可以形成二維的石墨烯結(jié)構(gòu)，它具有大的比表面積，以及優(yōu)異的導(dǎo)電和機(jī)械性能。將這種二維石墨烯進(jìn)行卷曲可以形成一維管狀結(jié)構(gòu)的碳納米管，它具有高的長徑比，具有良好的導(dǎo)電特性和機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)SP2雜化的碳原子也可以形成零維的石墨烯球(C6。)材料，該材料具有奇特的電子效應(yīng)。這些均表明基于SP2雜化的納米碳材料具有非常重要的物理化學(xué)特性和應(yīng)用價(jià)值。
[0003]目前，基于SP2雜化的石墨烯球、碳納米管、以及石墨烯棒都已經(jīng)被制備出來，并顯示出優(yōu)異性能和廣泛應(yīng)用空間，然而進(jìn)一步發(fā)展三維尺度的基于Sp2雜化的碳納米材料卻非常有限?，F(xiàn)有技術(shù)已有文獻(xiàn)報(bào)道基于SP2雜化的石墨烯單元可以進(jìn)一步制備出多孔的石墨稀纖維。例如，CN 102586946 A公開了一種尚強(qiáng)度石墨稀有序多孔纖維及其制備方法，其中是將石墨烯進(jìn)行分散，然后進(jìn)行紡絲可以制備出多孔的石墨烯纖維，但這種石墨烯纖維的制備過程涉及石墨烯單元的分散和復(fù)合，所制備的多孔石墨烯纖維的整體性和連續(xù)性有限。CN 103588196 A—種多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維及其制備方法與用途，該制備方法以無機(jī)纖維為模板，使得石墨烯大多生長在無機(jī)纖維表面，難以形成均勻的多孔纖維結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步豐富和發(fā)展三維的納米結(jié)構(gòu)化的碳材料，制備SP2雜化的、具有均勻納米孔結(jié)構(gòu)的納米碳纖維，并開發(fā)其應(yīng)用是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種多孔石墨烯納米線的制備方法，其制備工藝簡單易行。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種多孔石墨烯納米線材料，其具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，而且這些多孔的石墨烯納米線具有連續(xù)的碳納米線結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供所述多孔石墨烯納米線材料的應(yīng)用。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種多孔石墨烯納米線的制備方法，其包括以下步驟:
[0008]步驟一:將含有鎂元素的化合物溶解在水中，得到含有鎂離子的溶液，其中，鎂離子的濃度為0.01-5.0mol/L，通過水熱的方法合成得到石墨稀納米線的催化劑；
[0009]步驟二:在300-600°C的溫度下，煅燒石墨烯納米線的催化劑，形成多孔的催化劑納米線；
[0010]步驟三:引入碳源，在600-1200°C的溫度下，在多孔催化劑納米線上生長石墨烯；
[0011]步驟四:將生長有石墨烯的多孔催化劑納米線溶于酸中，除去多孔催化劑納米線，制得多孔石墨稀納米線。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的多孔石墨烯納米線的制備方法，所制得的多孔石墨烯納米線呈現(xiàn)纖維的形狀，其長度在I微米到I毫米，直徑在50納米到10微米。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的多孔石墨烯納米線的制備方法，所制得的多孔石墨烯納米線中具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為300-2500m2/g。
[0014]在本發(fā)明所提供的多孔石墨烯納米線的制備方法中，優(yōu)選的，所采用的含有鎂元素的化合物包括氧化鎂、氫氧化鎂、氯化鎂、硝酸鎂、硫酸鎂、乙酸鎂、草酸鎂和碳酸鎂等中的一種或幾種的組合。
[0015]在本發(fā)明所提供的多孔石墨烯納米線的制備方法中，優(yōu)選的，所采用的碳源包括烴類碳源或含雜原子的有機(jī)化合物碳源。
[0016]在本發(fā)明所提供的多孔石墨烯納米線的制備方法中，優(yōu)選的，所采用的烴類碳源包括芳香烴類或非芳香烴類，其中芳香烴類碳源包括苯、甲苯和二甲苯等中的一種或幾種的組合；非芳香烴碳源包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯和乙炔等中的一種或幾種的組合。
[0017]在本發(fā)明所提供的多孔石墨烯納米線的制備方法中，優(yōu)選的，所采用的含有雜原子的有機(jī)化合物碳源包括蔗糖、葡萄糖、聚酰亞胺、聚苯胺和酚醛樹脂等中的一種或幾種的組合。
[0018]在本發(fā)明所提供的多孔石墨烯納米線的制備方法中，優(yōu)選的，步驟三中引入碳源的反應(yīng)時(shí)間為I分鐘至10小時(shí)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，用于除去多孔催化劑納米線的酸試劑可為鹽酸、醋酸、硝酸和硫酸溶液。
[0020]本發(fā)明還提供了一種多孔石墨烯納米線材料，其是由上述制備方法制備得到的。具體地，本發(fā)明的多孔石墨烯納米線呈現(xiàn)纖維的形狀，其長度在I微米到I毫米，直徑在50納米到10微米。且該多孔石墨稀納米線具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為300-2500m2/g。
[0021]當(dāng)采用本發(fā)明所提供的方法制備多孔石墨烯材料時(shí)，改變碳源或者在碳源中添加含有雜原子的成分，也可制備得到雜原子摻雜的多孔石墨烯納米線材料。
[0022]本發(fā)明還提供了上述多孔石墨烯納米線材料的可能應(yīng)用。該多孔石墨烯納米線材料可以作為電化學(xué)儲(chǔ)能材料、催化劑制備的載體材料、導(dǎo)電材料、吸附材料或者脫附材料。
[0023]本發(fā)明所提供的多孔石墨烯納米線的制備方法，簡便易操作，容易工業(yè)化生產(chǎn)。而且采用本發(fā)明所提供的制備方法制備的多孔的石墨烯納米線材料，其基本單元含有彎曲的石墨稀片層結(jié)構(gòu)，單元之間是直接的界面連接，形成連續(xù)的納米碳結(jié)構(gòu)材料，并且這種納米碳具有多孔結(jié)構(gòu)，可以提供大的比表面積。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明多孔石墨烯納米線的制備工藝流程圖。
[0025]圖2為本發(fā)明多孔石墨烯納米線的催化劑的結(jié)構(gòu)形貌。
[0026]圖3為本發(fā)明多孔石墨烯納米線的結(jié)構(gòu)形貌。
[0027]圖4為本發(fā)明多孔石墨烯納米線的氮吸附曲線。
[0028]圖5為本發(fā)明含有氧雜原子的多孔石墨烯納米線的結(jié)構(gòu)形貌。
[0029]圖6為本發(fā)明含有氮雜原子的多孔石墨烯納米線的結(jié)構(gòu)形貌。
[0030]圖7為本發(fā)明多孔石墨烯納米線的透射電子顯微鏡照片。
[0031]圖8為本發(fā)明多孔石墨烯納米線用做鈉離子電池負(fù)極的電化學(xué)性能。
[0032]圖9為本發(fā)明多孔石墨烯納米線鈉離子電池負(fù)極性能和其他碳材料的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。
[0034]實(shí)施例1
[0035]本實(shí)施例提供了一種多孔石墨烯納米線的制備方法，其流程如圖1所示，具體包括以下步驟:
[0036]步驟一:將乙酸鎂溶解在水中，得到濃度為1.0moI/L的乙酸鎂溶液，將上述溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，加熱至180°C保溫2小時(shí)合成得到石墨烯納米線的催化劑，如圖2所示，該催化劑呈現(xiàn)納米線的形狀；
[0037]步驟二:在500°C煅燒上述石墨烯納米線的催化劑，形成多孔催化劑納米線；
[0038]步驟三:引入甲烷作為氣體碳源，采用化學(xué)氣相沉積的方法進(jìn)行石墨烯的生長，化學(xué)氣相沉積的溫度為900°C，化學(xué)氣相沉積的時(shí)間為I分鐘；
[0039]步驟四:將生長有石墨烯的多孔催化劑納米線溶于適量的鹽酸中，除去多孔催化劑納米線，得到多孔石墨烯納米線。所制備的多孔石墨烯納米線的透射電子顯微鏡照片如圖3所示，其直徑約為600nm，孔徑為幾個(gè)納米左右。
[0040]通過比表面積的測試表明，這些孔結(jié)構(gòu)具有非常大的吸附性能，如圖4所示，其比表面積達(dá)到2184m2/g。
[0041]實(shí)施例2
[0042]本實(shí)施例提供了一種多孔石墨烯納米線的制備方法，其包括以下步驟:
[0043]步驟一:將氫氧化鎂溶解在水中，得到濃度為0.