申请/专利权人：山东大学

申请日：2018-03-02

公开（公告）日：2021-07-23

公开（公告）号：CN108190866B

主分类号：C01B32/184(20170101)

分类号：C01B32/184(20170101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.07.23#授权;2018.07.17#实质审查的生效;2018.06.22#公开

摘要：本发明涉及一种油包水乳液法简单地控制合成海胆状石墨烯球的方法，包括：将PEI溶液加入到油相中，得到含PEI的油相步骤；将EDA加入到氧化石墨烯GO水分散液中，得到含GOEDA复合物的水相步骤；将上述油相和水相混合，得到WO乳液步骤；将WO乳液加热，离心得微球；将微球进行洗涤、干燥和煅烧，即得石墨烯球。本发明制得的高密度石墨烯微球用于超级电容器的电极材料时，显示出较高的体积比电容，体积比电容可达527.6Fcm‑3。

主权项：1.一种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括：将PEI溶液加入到油相中，得到含PEI的油相步骤，PEI溶液的浓度为0.1-10wt.%，PEI溶液与油相混合过程中控制PEI与油的体积比为1：10-1：100；将EDA加入到氧化石墨烯GO水分散液中，得到含GOEDA复合物的水相步骤，GO分散液的浓度为0.5-5mgmL-1；将上述油相和水相混合，得到WO乳液步骤，含GOEDA复合物的水相与含PEI的油相混合过程中，控制水相与油相的体积比为1：3-1：50；将WO乳液加热，加热温度为70-150°C，加热时间为1-6h，离心得微球；将微球进行洗涤、干燥和煅烧，即得石墨烯球。

全文数据：一种油包水乳液法简单地控制合成海胆状石墨烯球的方法技术领域[0001]本发明涉及一种油包水乳液法简单地控制合成海胆状石墨烯球的方法，属于石墨烯球制备技术领域。背景技术[0002]石墨烯因其具有许多优异的性质，如大的比表面积，强的导电性和导热性、好的透光性以及出色的机械性能，被广泛应用于超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、吸附污染物及重金属离子和透明电极等领域。[0003]但在大多数实际应用中，由于一维石墨稀层间存在着较强的JI_JI作用和范德华力，使石墨烯片层间发生严重的堆叠和团聚，严重影响了石墨烯固有的性质。将二维石墨烯组装成三维石墨烯结构，比如石墨烯泡沫、水凝胶、气凝胶和球形等结构，能有效解决该类问题。其中，石墨烯泡沫和凝胶结构一般组装层间距较大，密度小，导致空间利用率低。且这些结构一般为厘米级的宏观块体材料，不利于应用到电极材料中。而微米级或纳米级的石墨烯球能较方便的装配成电极，应用到超级电容器或电池等领域。且球形结构的组装密度一般高于石墨烯泡沫和凝胶结构，能有效提高材料的体积比性能，进而提高石墨烯在能量转换和存储设备中的实际应用性能。此外，球形结构还具有优异的结构稳定性，可以有效提高石墨烯材料的长循环稳定性。[0004]迄今为止，已报道的合成石墨烯球形结构的方法有很多种。例如，采用喷雾干燥法可以合成球形粒子。通过将前体溶液雾化，形成微小液滴，后经高温蒸发或分解作用，形成石墨烯微球。通过增加前驱体的量，该方法很容易实现扩大化生产。但通过该方法所制备产物的尺寸和形貌不易精确地控制。以球形材料为模板，如聚苯乙烯微球、5;[02球、金属或金属氧化物纳米球等，制备球形的石墨燦材料可以有效地控制产物的尺寸和形貌，但去模板的过程较复杂，且在此过中，球形结构易±丹塌或变形。石墨烯球也可以通过油包水W0或水包油0W乳液法制备，通过石墨烯片在球形液滴的界面上或内部自组装形成球形结构。该方法与上述两种方法相$，较易制备高密度的石墨烯材料，且步骤简单，制备条件温和，使其成为一种较好的制备高密度石墨烯球的方法。但该方法制备的石墨烯球通常具有较光滑的表面和过于致密的结构，致使材料的比表面积较低，严重影响材料的电化学性能。从某种意义上来说，制备同时具有高密度、大比表面积和高孔隙度的石墨烯球材料仍姨是一个巨大的挑战。^发明内容[0005^]针对现有制备技术存在的缺陷，解决上述问题，尤其是现有技术在制备石墨烯球时，采用喷雾干燥法，产物的尺寸和形貌不易控制的问题;采用模板法时，球形结构易坊塌或变形的问题;以及采用乳液法时，如何使产物具有高密度的同时，还具有较好的比表面积輒隙度_题。_6]本发明提供-种通过乳液辅助方法原位组装制备石墨讎球的方法。以聚乙燦亚胺PEI为乳化剂，乙二胺EDA为弱的交联剂和还原剂，在油相中形成球形的石墨煤水凝胶，再经水分蒸发，发生体积收缩，最后经高温煅烧，形成类似海胆状的高密度石墨锦微球1[0007]本发明的技术方案如下：。[0008]一种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括：[0009]将PEI溶液加入到油相中，得到含PEI的油相步骤；[0010]将EDA加入到氧化石墨烯G0水分散液中，得到含G0EDA复合物的水相步骤.将上述油相和水相混合，得到W0乳液步骤；’[0012]将W〇乳液加热，离心得微球;将微球进行洗涤、干燥和煅烧，即得石墨條球。[0013]根据本发明，优选的，G0分散液的浓度为〇.5-5mgmL—1，进一步优选为2-4mg[0014]优选的，PEI溶液的浓度为0•卜10wt_%，进一步优选为〇.5-5wt.%;’[0015]优选的，所述的油相为玉米胚芽油、油酸或硅油；[0016]优选的，PEI溶液与油相混合过程中控制与油的体积比为1:10-1:100,进一步优选为1:3-1:60。[0017]根据本发明，优选的，PEI溶液加入到油相中，搅拌条件下于70-15TC，反应1-6h，冷却至室温，得到含PEI的油相。’[0018]根据本发明，优选的，含G0EDA复合物的水相与含PEI的油相混合过程中，控制水相与油相的体积比为1:3_1:5〇，进一步优选为1:5_1:2〇。含G0EDA复合物的水相与含PEI的油相室温下进行充分搅拌混合，使其乳化，再进行加热，G0片层进行组装成球，离心、洗漆、煅烧得到石墨烯微球。[0019]根据本发明，W0乳液液滴中形成G0EDA水凝胶，通过对其进行加热，水分蒸发，发生毛细收缩作用，得到高密度的部分还原的氧化石墨烯球；[0020]优选的，加热温度为70-150r，加热时间为l-6h。[0021]根据本发明，煅烧步骤中，优选的，煅烧温度为2〇〇°C-l100°C，进一步优选为350-800。。；[0022]优选的，锻烧时间为30min-6h，进一步优选为l-3h。[0023]根据本发明，煅烧步骤中，优选的，在惰性保护气氛中进行，进一步优选的保护气氛为Ar气，保护气氛的流量为80-500sccm。[0024]根据本发明，上述油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，一种优选的实施方式，包括以下步骤：[0025]⑴将G0水分散液稀释成浓度为0•5-5mgml^GO水分散液，备用;将PEI稀释成浓度为0.1-10wt.%的PEI溶液，备用；[0026]⑵取0•lmL-lL的PEI溶液加入到lmL-50L油相玉米胚芽油）中进行磁力搅拌，将反应温度升至70-150。：，反应l-6h后停止加热，冷却至室温，得到含PEI的油相；[0027]⑶将0.003mL-100mLEDA加入到0.5mL-10LG0水分散液中，超声10-60min，得到含G0EDA复合物的水相；[0028]⑷将水相滴加到油相中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的W0乳液；[0029]⑸对W0乳液进行加热，加热温度为70-150°C，加热时间为l_6h;[0030]⑹将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行6〇。：干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0031]7将部分还原的氧化石墨烯球在气体Ar的保护下进行高温煅烧，煅烧温度为2〇〇°C-1100°C，升温速率为l-10°Cmin—、域快速升温，即温度升至煅烧温度，再将产物移至煅烧区域），煅烧时间为3〇min-6h，保护气体Ar流量为80-500sccm，即得石墨烯球。[0032]本发明制得的闻密度石墨燦球的密度为0.6-1.6gcm-3,具有优异的电学性能，将所得产物做成工作电极，以铂片为对电极，以HgHgO电极为参比电极，采用三电极测试系统，对其进行超电性能测试。[0033]本发明的有益效果[0034]1、本发明通过在油相中引入PEI，充当乳化剂的作用，在乳化过程中使体系形成较稳定的乳液，利于最终产物的形成。[0035]2、本发明将EDA引入到G0分散液中，EDA在反应过程中充当弱的交联剂，在加热条件下，能使G0片在乳液滴中原位组装形成球形凝胶。经水分蒸发，发生体积收缩，再经煅烧，形成高密度石墨烯微球。[0036]3、本发明制备的高密度石墨烯微球为类海胆状结构，具有褶皱的表面，这种结构可以提供大的比表面积和有效的离子扩散途径。[0037]4、本发明通过调节油相和水相的比例可以实现石墨烯微球尺寸和结构的控制合成。[0038]5、本发明制得的高密度石墨烯微球用于超级电容器的电极材料时，显示出较高的体积比电容，体积比电容可达527.6Fcnf3。附图说明[0039]图1为实施例1a，b、实施例2c，d和实施例3e，f所得海胆状石墨烯球的扫描电子显微镜图和透射电子显微镜图。[0040]图2为对比例1a和对比例2〇d所得产物的扫描电子显微镜图。[0041]图3为实施例2a所得海胆状石墨烯球与对比例3b和对比例4c所得石墨烯在不同电流密度下体积比电容的对比图。具体实施方式[0042]下面以具体的实施例来进一步阐述本发明。[0043]需要强调的是，以下的实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明的范围。[0044]实施例中所用原料均为常规市购产品。[0045]实施例1[0046]—种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括以下步骤：[0047]1将G0水分散液稀释成浓度为3mgmL_1的分散液，备用；将PEI稀释成浓度为lwt.%的溶液，备用；[0048]⑵取5mLroi溶液加入到500mL油相（玉米胚芽油）中进行磁力搅拌，将反应温度升至95°C，反应3h后停止加热，冷却至室温，得到含PEI的油相；[0049]⑶将0•15mLEDA加入到25mLG0分散液中，超声30min，得到含G0EDA复合物的水相；[0050]⑷将水相滴加到油相中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的W0乳液；LUUb1J⑸对乳液进行加热，加热温度为95。：，加热时间为4h;C〇〇52]⑹将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行6〇°c干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0053]7将部分还原的氧化石墨烯球进行高温煅烧，煅烧温度为40TC，升温为快速升温，煅烧时间为2h，保护气体Ar流量为200sccm，即得石墨稀球。[0054]实施例2[0055]一种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括以下步骤：[0056]^将⑶水分散液稀释成浓度为3mgmL_1的分散液，备用；将PEI稀释成浓度为lwt.%的溶液，备用；[0057]⑵取〇.4tnLPEI溶液加入到2〇mL油相玉米胚芽油）中进行磁力搅拌，将反应温度升至95°C，反应2h后停止加热，冷却至室温，得到含PEI的油相；[0058]⑶将〇.〇12mLEDA加入到2mLGO分散液中，超声lOmin，得到含GOEDA复合物的水相；[0059]⑷将水相滴力卩到油相中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的ff〇乳液；[0060]5对乳液进行加热，加热温度为95»C，加热时间为2h;[0061]6将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行60°C干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0062]〇将部分还原的氧化石墨烯球进行高温煅烧，煅烧温度为40TC，升温为快速升温，煅烧时间为1h，保护气体Ar流量为200sccm，即得石墨炼球。[0063]实施例3[0064]一种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括以下步骤：[0065]1将⑶水分散液稀释成浓度为3mgmL_1的分散液，备用；将PEI稀释成浓度为lwt.%的溶液，备用；[0066]⑵取4mLPEI溶液加入到l〇〇mL油相（玉米胚芽油）中进行磁力搅拌，将反应温度升至95°C，反应池后停止加热，冷却至室温，得到含PEI的油相；[0067]⑶将0.12mLEDA加入到2〇mLGO分散液中，超声30min，得到含G0EDA复合物的水相；[0068]⑷将水相滴加到油相中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的W0乳液；[0069]⑸对乳液进行加热，加热温度为95。：，加热时间为4h;[0070]将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行60°C干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0071]7将部分还原的氧化石墨烯球进行高温煅烧，锻烧温度为40TC，升温为快速升温，锻烧时间为2h，保护气体Ar流量为200SCCm，即得石墨烯球。[0072]实施例4[0073]一种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括以下步骤：[0074]1将GO水分散液稀释成浓度为4mgmL1的分散液，备用；将PEI稀释成浓度为2wt_%的溶液，备用；[0075]⑵取10mLPEI溶液加入到400mL油相（油酸）中进行磁力搅拌，将反应温度升至1l〇°C，反应3h后停止加热，冷却至室温，得到含PEI的油相；L0076J⑶将〇•24mLEDA加入到40mLGO分散液中，超声40min，得到含GOEDA复合物的水相；[0077]⑷将水相滴加到油相中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的W0乳液；[0078]⑸对乳液进行加热，加热温度为110°C，加热时间为6h;[0079]⑹将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行6〇°C干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0080]7将部分还原的氧化石墨烯球进行高温锻烧，煅烧温度为40TC，升温速率为10-CmiiT1，煅烧时间为2h，保护气体Ar流量为200sccm，即得石墨烯球。[0081]实施例5[0082]一种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括以下步骤：[0083]⑴将⑶水分散液稀释成浓度为2mgml1的分散液，备用；将PEI稀释成浓度为2wt.%的溶液，备用；[0084]⑵取15mLPEI溶液加入到500mL油相（桂油）中进行磁力搅拌，将反应温度升至1l〇°C，反应3h后停止加热，冷却至室温，得到含PEI的油相；[0085]⑶将0.18mLEDA加入到30mLG0分散液中，超声40min，得到含G0EDA复合物的水相；[0086]⑷将水相滴加到油相中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的W0乳液；_7]⑸对乳液进行加热，加热温度为8〇°C，加热时间为5h;[0088]⑹将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行6〇°c干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0089]7将部分还原的氧化石墨烯球进行高温煅烧，煅烧温度为80TC，升温速率为10TmirT1，煅烧时间为2h，保护气体Ar流量为30〇SCCm，即得石墨烯球。[0090]对比例1、不加入PEI[_1]⑴将G0水分散液稀释成浓度为3mgmL—1的分散液，备用；[0092]⑵将〇.〇12mLEDA加入到2mLGO分散液中，超声lOmin，得到含G0EDA复合物的水相；[0093]⑶将水相滴加到2〇mL油相玉米胚芽油）中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的W0乳液；[0094]⑷对乳液进行加热，加热温度为95°C，加热时间为2h;[0095]5将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行6〇°C干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0096]6将部分还原的氧化石墨烯球进行高温煅烧，煅烧温度为40TC，升温为快速升温，锻烧时间为lh，保护气体Ar流量为200sccm。[0097]对比例2、不加入EDA[0098]1将G〇水分散液稀释成浓度为3mgmL_1的分散液，备用；将PEI稀释成浓度为lwt.%的溶液，备用；[00"]⑵取0_4mL溶液加入到20mL油相玉米胚芽油）中进行磁力搅拌，将反应温度升至95°C，反应2h后停止加热，冷却至室温，得到含PEI的油相；[0100]3将2mLG0分散液滴加到油相中，室温下大力搅拌，使其充分乳化，得到均匀的VVU孑叉；[0101]⑷对乳液进行加热，加热温度为95。：，加热时间为2h;_2]⑸将反应体系冷却至室温，通过离心、洗漆操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行60°C干燥，得到部分还原的氧化石墨烯球；[0103]6将部分还原的氧化石墨烯球进行高温煅烧，煅烧温度为40TC，升温为快速升温，煅烧时间为lh，保护气体Ar流量为2〇〇sccm。[0104]对比例3、相同含氮量的非组装结构的石墨烯片[0105]1将⑶水分散液稀释成浓度为3mgmL—1的分散液，备用；将PEI稀释成浓度为lwt.%的溶液，备用；[0106]⑵将〇.36mLEDA加入到60mLGO分散液中，超声30min，得到含GOEDA复合物的水相；[0107]⑶取dPEI溶液加入到含G0EDA复合物的水相中进行磁力搅拌，将反应温度升至95°C，反应时间为2h;[0108]⑷将反应体系冷却至室温，通过离心、洗涤操作，去除没有反应的前驱体，再将洗涤所得产物进行60°C干燥，得到部分还原的氧化石墨烯；[0109]将部分还原的氧化石墨烯进行高温煅烧，煅烧温度为400°C，升温为快速升温，锻烧时间为lh，保护气体Ar流量为200sccm。[0110]对比例4、非组装结构的石墨烯片[0111]1将G0分散液稀释成浓度为3mgmr1分散液，超声分散均匀，备用；[0112]⑵取60mL的G0分散液，进行冷冻干燥；[0113]3将冷冻干燥所得产物在Ar保护气体中进行高温煅烧，煅烧温度为400°C，升温为快速升温，煅烧时间为lh，保护气体Ar流量为200sccm。[0114]试验例1[0115]实施例2所得海胆状石墨烯球的电镜图如图1c，d所示。由图1c，d可以看出，石墨烯片组装成海胆状结构的石墨烯微球，微球表面呈褶皱状，该结构可以提供大的比表面积和有效的离子扩散路径。且该组装结构具有较高的密度1.37gcnf3。[0116]实施例1和实施例3的产物分别如图1a，b和e，f所示。由图1可以得出，通过调节水油比，可以实现乳液滴大小的调控，最终实现石墨烯微球结构、尺寸和组装密度的调控。[0117]图2a为对比例1所得产物的扫描电子显微镜图。由图2⑹可以得出，在不加时，得不到尺寸相对均匀的海胆状石墨烯球。这主要是因为，不加PEI时，乳液体系不稳定，乳液滴在产物的形成过程中不能很好地保持，最终形成了聚集体结构。[0118]图2⑹为对比例2所得产物的扫描电子显微镜图。由图2⑹可以得出，在不力口EDA时，也得不到尺寸相对均勾的海胆状石墨炼球。这主要是因为，在没有EDA存在时，G〇片与油中的PEI之间发生一定的交联作用，阻碍了其在球形液滴中组装成球，最终形成了三维交联的结构。[0119]由上述两个对比例可以得出PEI和EDA在海胆状石墨稀球的形成过程中起到至关重要的作用。[0120]试验例2[0121]将所得实施例2、对比例3和对比例4所得材料做成工作电极，铂片为对电极，HgHgO电极为参比电极，采用三电极系统测试系统，测其超电性能。对比例4所得石墨烯c和实施例2所得海胆状石墨烯球a在不同电流密度下体积比电容的对比图如图3所示，由图3可以看出，本发明所得海胆状石墨烯球显示出了较高的体积比电容，明显高于对比例4的体积比电容。对比例3所得石墨烯⑹和实施例2对比，可以得出海胆状结构有利于提高石墨燦材料的体积比电容。+

权利要求：1.一种油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，包括：将PEI溶液加入到油相中，得到含PEI的油相步骤；将EDA加入到氧化石墨烯GO水分散液中，得到含GOEDA复合物的水相步吾严.将上述油相和水相混合，得到W0乳液步骤；将W0乳液加热，离心得微球;将微球进行洗涤、干燥和煅烧，即得石墨煤球。2.根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，^特征在于，GO分散液的浓度为〇.5_5mgmL_1，优选为2-4mgmL_1。""3.根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，其特征在于，PEI溶液的浓度为〇.1_1〇«1:.%，优选为〇.5-5^^.%。'’4.根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨稀球的方法其梓征亦干所述的油相为玉米胚芽油、油酸或硅油。^’5.根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨稀球的方法，其特征在于，PEI溶液与油相混合过程中控制PEI与油的体积比为i:i〇-1:100,优选为1:3—j^6〇。’6.根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨條球的方法，其特征在于，PEI溶液加入到油相中，搅拌条件下于70-150°C，反应卜6h，冷却至室温，得到含^£1的油相。’7.根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨稀球的方法，其特征在于，含G0EDA复合物的水相与含PEI的油相混合过程中，控制水相与油相的体积比^丨：卜丨：5〇，优选为1:5-1:20。8.根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，其特征在于，锻烧步骤中，煅烧温度为200°C-1100°C，锻烧时间为30min-6h。9.根据权利要求8所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，其特征在于，煅烧步骤中，煅烧温度为350-800°C;煅烧时间为l-3h。1〇•根据权利要求1所述的油包水乳液法简单地控制合成石墨烯球的方法，其特征在于，煅烧步骤中，在惰性保护气氛中进行，惰性保护气氛的流量为8〇_5〇〇sccm。

百度查询： 山东大学 一种油包水乳液法简单地控制合成海胆状石墨烯球的方法

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