一种石墨化多级孔石墨烯及其制备方法和应用

本发明涉及一种石墨化多级孔石墨烯及其制备方法和应用，属于石墨烯材料。

背景技术：

1、现有的电容器电极材料主要以碳材料为主，但商业生物质和煤基碳由于难以控制孔结构和较差的导电性，不能满足当下电容器的需求。一般是采用碳化-活化提高碳材料的比表面积，但具有程序繁琐、产率低、成本高、性能一般的缺点，不适合批量制备及商业化使用。

2、多孔石墨烯是一种新开发的碳材料，其具有良好的导电性，并具有多孔结构，比表面积相对较高。现有的多孔石墨烯的制备中，造孔主要依靠强酸(硫酸、氢氟酸)、强碱(氢氧化钾、氢氧化钠)等的活化作用，成本高，程序繁琐，石墨化温度在2000℃以上，存在制备成本高、产率低的问题，且难以平衡能量密度和功率密度，不适合批量制备使用。

3、围绕国家能源需求，我国传统能源需寻找新的低碳清洁利用模式。新能源开发利用快速发展并逐渐取代部分传统不可再生能源，因而对炭材料的需求量急剧上升，由于受到来源、转化技术和造孔工艺等限制，导致高品质活性炭成本较高，甚至需要依赖外国进口。重油残渣(例如减压渣油、油浆、煤焦油、沥青等)碳氢比较高且灰分较低，是大规模经济生产碳质材料的理想来源，将重油残渣从粗放式的利用模式向高值化低碳利用方式转变，有望进一步推进新能源材料的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种石墨化多级孔石墨烯的制备方法，该方法以重油残渣为碳源，通过引入石墨化催化剂，原位制得石墨化多级孔石墨烯，制得的石墨化多级孔石墨烯具有孔结构丰富、比表面积大、导电率高的优点，并且制备方法简单，可低成本批量制备。

2、技术方案

3、一种石墨化多级孔石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将脂肪酸盐、过渡金属盐、模板前驱体加入到非极性溶剂中，混合均匀后，加热至110-180℃，保温5-24h，然后冷却至室温，过滤后加入水，在190-280℃下保温反应，反应结束后冷却至室温，接着依次过滤、洗涤、干燥，得到油溶性过渡金属-模板剂复合物；

5、(2)将重油残渣与油溶性过渡金属-模板剂复合物混合均匀，然后在氩气氛围下升温至500-900℃，保温0.5-3h，接着升温至900-1600℃，保温0.5-1h，最后冷却至室温，洗涤后，干燥，得到石墨化多级孔石墨烯。

6、进一步，步骤(1)中，所述脂肪酸盐选自脂肪酸钾、脂肪酸钠、脂肪酸铵、脂肪酸锌、脂肪酸镁、脂肪酸钙、脂肪酸铜、脂肪酸铁中的一种或两种以上任意比例的组合物

7、进一步，步骤(1)中，所述过渡金属盐选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、高锰酸钾、锰酸钾、氯化钴、硫酸钴或硝酸钴中的一种或两种以上任意比例的组合物。

8、进一步，步骤(1)中，所述模板前驱体选自氯化镁、硝酸镁、硫酸镁、氯化铝、硝酸铝中的一种或两种以上任意比例的组合物。

9、进一步，步骤(1)中，所述非极性溶剂选自四氯化碳、己烷、异辛烷或甲苯中的任意一种。更优选为四氯化碳。

10、进一步，步骤(1)中，所述脂肪酸盐、过渡金属盐和模板前驱体的质量比为(2-4)：(2-4)：3。

11、进一步，步骤(1)中，所述干燥温度为80-120℃，时间为8-24h。

12、进一步，步骤(2)中，所述重油残渣与油溶性过渡金属-模板剂复合物的质量比为1:5～5:1。

13、上述方法制备的石墨化多级孔石墨烯作为电容器电极材料的应用。

14、本发明的有益效果：

15、本发明提供了一种石墨化多级孔石墨烯的制备方法，与传统石墨化多孔碳的制备相比，该方法大大降低石墨化所需温度，节约能源，且石墨化与造孔同步完成，程序简单；与传统的氧化还原法制备的石墨烯相比，本发明提供的方法制备的石墨烯具有多级孔结构，石墨化程度高，具有高导电率和比表面积，其作为电容器电极材料具有高的能量密度、功率密度和优异的循环使用寿命，是一种理想的电容器电极材料。本发明制得的石墨化多级孔石墨烯成本低、可批量规模制备且表现出优异的电容性能，可用在新能源汽车上，进而推动石墨烯材料在新能源领域的应用。

技术特征：

1.一种石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述脂肪酸盐选自脂肪酸钾、脂肪酸钠、脂肪酸铵、脂肪酸锌、脂肪酸镁、脂肪酸钙、脂肪酸铜、脂肪酸铁中的一种或两种以上任意比例的组合物。

3.如权利要求1所述石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述过渡金属盐选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化铝、硝酸铝、氯化钴、硫酸钴或硝酸钴中的一种或两种以上任意比例的组合物。

4.如权利要求1所述石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述模板前驱体选自氯化镁、硝酸镁、硫酸镁、氯化铝、硝酸铝中的一种或两种以上任意比例的组合物。

5.如权利要求1所述石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述非极性溶剂选自四氯化碳、己烷、异辛烷或甲苯中的任意一种。

6.如权利要求1所述石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述脂肪酸盐、过渡金属盐和模板前驱体的质量比为(2-4)：(2-4)：3。

7.如权利要求1所述石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述干燥温度为80℃-120℃，时间为8h-24h。

8.如权利要求1至7任一项所述石墨化多级孔石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述重油残渣与油溶性过渡金属-模板剂复合物的质量比为1:5～5:1。

9.权利要求1至8任一项所述方法制备的石墨化多级孔石墨烯作为电容器电极材料的应用。

技术总结
本发明公开了一种石墨化多级孔石墨烯的制备方法，将脂肪酸盐、过渡金属盐、模板前驱体加入到非极性溶剂中，混匀后加热至110‑180℃，保温5‑24h后冷却至室温，过滤并加入水，在190‑280℃下保温反应，结束后冷却，依次过滤、洗涤、干燥，得到油溶性过渡金属‑模板剂复合物，将其与重油残渣混匀，在氩气氛围下升温至500‑900℃，保温0.5‑3h后升温至900‑1600℃，保温0.5‑1h，最后冷却、洗涤、干燥，即得。与传统石墨化多孔碳的制备相比，该方法大大降低石墨化所需温度，节约能源，且程序简单。本发明制备的石墨烯具有多级孔结构，石墨化程度高，具有高导电率和比表面积，特别适合用作电容器电极材料。

技术研发人员：孙玉珍,邢蓉,刘昱,韩雨婷,赵志远,吴化雨
受保护的技术使用者：盐城师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13