一種三維有序方形孔介孔石墨烯骨架材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維有序方形孔介孔石墨烯骨架材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由sp2碳原子緊密堆積形成的二維原子晶體結(jié)構(gòu)，近年來，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)引起了廣泛關(guān)注。作為一種新興的無機(jī)非金屬材料，石墨烯具有比表面積大、穩(wěn)定性高、載流子迀移率高、強(qiáng)度高等特性。同時(shí)也在化學(xué)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用:因其良好的導(dǎo)電性能，可被用于修飾電極；因其超大的比表面積，成為重要儲能裝置的電極材料；因其良好的透光性和導(dǎo)電性，石墨烯在太陽能電池應(yīng)用方面也展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。
[0003]傳統(tǒng)石墨烯制備方法有很多，如機(jī)械剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長法及電化學(xué)方法等。以上幾種方法中，機(jī)械剝離法原理簡單，但產(chǎn)率低，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)及應(yīng)用；化學(xué)氣相沉積法可制備大面積、高質(zhì)量石墨烯，但同樣產(chǎn)率較低，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)；氧化還原法制備的石墨烯產(chǎn)量高，應(yīng)用廣泛，但步驟繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種方法簡單的制備三維有序方形孔介孔石墨烯骨架材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明提供的一種三維有序方形孔介孔石墨烯骨架材料的制備方法，通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)方形四氧化三鐵納米顆粒自組裝成高度有序的納米超晶格，將顆粒表面的有機(jī)分子高溫碳化，獲得碳包覆的方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格，用酸刻蝕將四氧化三鐵納米顆粒除去，獲得高度有序的三維方形孔介孔碳骨架材料，再將介孔碳骨架高溫石墨化，得到高度有序的三維方形孔介孔石墨烯骨架材料。本發(fā)明方法簡單，原料易得，成本較低，通過控制起始四氧化三鐵納米顆粒的形貌及大小，對介孔石墨烯骨架的孔道的形狀和大小進(jìn)行調(diào)控。具體步驟如下:
[0006](1)以油酸鐵、油酸鈉和油酸作為原料，采用快速升溫，高溫溶液法制備單分散的方形四氧化三鐵納米顆粒，所得納米顆粒表面由油酸分子所包覆；納米粒子的粒徑可以通過調(diào)變溫度、配體用量、溶劑、升溫速率等進(jìn)行調(diào)制；將上述納米顆粒溶于非極性溶劑中，形成穩(wěn)定的方形四氧化三鐵納米顆粒膠體溶液；
[0007](2)將所得方形四氧化三鐵納米顆粒膠體溶液置于瓷舟中，控制其溶劑揮發(fā)速率，誘導(dǎo)納米顆粒自組裝，溶劑完全揮發(fā)后即得到高度有序的三維方形四氧化三鐵納米超晶格，將三維有序方形四氧化三鐵納米超晶格在惰性氣氛下高溫煅燒，碳化納米顆粒表面的油酸配體分子，得到碳包覆的三維有序方形四氧化三鐵納米超晶格；
[0008](3)將碳包覆的三維有序方形四氧化三鐵納米超晶格分散于無機(jī)酸中進(jìn)行刻蝕處理，去除四氧化三鐵納米顆粒后得到具有高比表面積、三維有序方形孔孔道結(jié)構(gòu)的介孔碳材料；
[0009](4)將三維有序方形孔介孔碳骨架在惰性氣氛下高溫石墨化，制備出高度有序的三維方形孔介孔石墨烯骨架材料。
[0010]本發(fā)明中，所述的高溫溶液法反應(yīng)溫度為300?350°C，反應(yīng)時(shí)間約0.5?2小時(shí)，升溫速率約5-50°C每分；油酸的濃度為1.5?4.5mM，油酸鈉的濃度為0.5_3mM，所用反應(yīng)溶劑為十六烯、十八烯、二十烯中的一種或其中的多種；所得四氧化三鐵納米粒子粒徑為5?30nm所述非極性溶劑為正己烷、辛烷、甲苯、氯仿中的一種或其中的多種。
[0011 ] 本發(fā)明中，所述的高溫煅燒的溫度為300?700°C，煅燒的溫度為60?180分鐘。
[0012]本發(fā)明中，所述的無機(jī)酸為濃鹽酸、硝酸、硫酸中的一種或其中的幾種，刻蝕溫度為 20 ?60°C。
[0013]本發(fā)明中，所述的高溫石墨化的溫度為1000?1600°C，煅燒的溫度為60?180分鐘。
[0014]本發(fā)明是將粒徑均勻的方形四氧化三鐵納米顆粒分散在有機(jī)溶劑中，首先通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)納米顆粒自組裝成有序的方形三維納米超晶格，通過高溫使納米顆粒表面的長鏈配體碳化，再使用無機(jī)酸將形成超晶格的納米顆粒刻蝕掉，得到具有方形孔的三維有序介孔碳骨架材料，再將介孔碳骨架材料高溫石墨化，便可制備出三維有序的方形孔介孔石墨烯骨架材料。本發(fā)明合成的三維有序方形孔介孔石墨烯骨架材料，以其優(yōu)異的導(dǎo)電性，較高的比表面積，和合適的孔徑分布，利于電解質(zhì)離子在電極中快速有效地傳輸，實(shí)現(xiàn)能量的快速充放，可以作為良好的電極材料，在雙電層電容、電池方面有著巨大的應(yīng)用潛力。
[0015]本發(fā)明通過掃描電鏡分析:
[0016]圖1為碳包覆方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，通過溶劑揮發(fā)自組裝，高溫碳化后可以得到高度有序超晶格結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明通過透射電鏡分析:
[0018]圖2為本發(fā)明制備的方形四氧化三鐵納米顆粒的透射電鏡照片。從圖中可以看出，方形四氧化三鐵納米顆粒的粒徑約為20nm。
[0019]圖3為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔石墨烯骨架材料的透射電鏡圖片。從圖中可以看出，石墨烯骨架的結(jié)構(gòu)高度有序且具有方形孔道。
[0020]本發(fā)明通過比表面數(shù)據(jù)分析:
[0021]圖4為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔石墨烯骨架的氮?dú)馕矫摳角€圖，從圖中可以看出，介孔石墨烯骨架的比表面積為970m2/g。
[0022]本發(fā)明通過拉曼數(shù)據(jù)分析:
[0023]圖5為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔石墨烯骨架的拉曼圖，從圖中可以看出，介孔石墨烯骨架石墨化程度良好。
[0024]綜上所述，本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有以下特點(diǎn):
[0025]本發(fā)明以油酸鐵和油酸鈉為原料，高溫裂解得到粒徑均勻的方形四氧化三鐵納米顆粒，表面由油酸包覆，在瓷舟中采用溶劑揮發(fā)自組裝的方法，得到碳包覆的方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格，用無機(jī)酸刻蝕，得到具有高度有序且連續(xù)的三維方形孔介孔碳骨架材料，將介孔碳骨架高溫石墨化，制備出三維有序的方形孔介孔石墨烯骨架材料。本發(fā)明具有以下優(yōu)勢:介孔石墨烯的孔結(jié)構(gòu)高度有序且連續(xù)，比表面積大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，石墨烯骨架的孔道的形狀和大小易于調(diào)控。本發(fā)明可以在吸附與分離、儲能、傳感等方面有廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明制備的碳包覆方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格的掃描電鏡圖
[0027]圖2為本發(fā)明制備的方形四氧化三鐵納米顆粒的透射電鏡照片。
[0028]圖3為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔石墨烯骨架材料的透射電鏡圖片。
[0029]圖4為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔石墨烯骨架的氮?dú)馕矫摳角€圖。
[0030]圖5為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔石墨烯骨架的拉曼圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]實(shí)施例1:
[0032](1)方形Fe304納米粒子的制備:將3.6g油酸鐵，0.6g油酸鈉和1.08g油酸溶于10ml十八烯中，50°C每分升溫，氮?dú)獗Ｗo(hù)下350°C反應(yīng)120min，得到粒徑約為20nm的方形四氧化三鐵納米顆粒，加入乙醇將納米顆粒沉淀出來，離心后，將所得納米粒子溶于正己烷中，形成濃度約為10mg mL 1的穩(wěn)定膠體溶液。
[0033](2)油酸包覆方形Fe304納米粒子超晶格的制備:室溫下將所得方形Fe 304納米粒子膠體溶液置于瓷舟中，室溫