一种功能性器件、多孔类石墨烯宏观体及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石墨烯领域，特别涉及一种功能性器件、多孔类石墨烯宏观体及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈· K ·海姆（Andre K. Geim)等采用机械剥离 法首次制备得到石墨烯（Graphene)，由此拉开了该材料制备、运用研宄的序幕。所谓石墨 烯，是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，通常由单层或多层石墨片层构成，可在 二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料。其具有比表面积大、导电导热 性能优良、热膨胀系数低等突出优点：具体而言，高的比表面积（理论计算值：2630m 2/g); 高导电性、载流子传输率（200000cm2/V· s);高热导率（5000W/mK);高强度，高杨氏模量 (IlOOGPa)，断裂强度（125GPa)。因此其在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极 大的运用前景。
[0003] 随着研宄的深入，研宄者发现，以石墨烯或类石墨烯为起点，可以组装得到形貌、 性能各异的宏观体，例如气液界面自组装得到石墨烯薄膜、水热合成得到石墨烯三维宏观 体等等；同时，还可以以石墨烯或类石墨烯为载体，复合得到各种复合物，例如石墨烯与硅 复合得到石墨烯-硅复合材料、氧化石墨烯与氧化物复合后再热处理得到石墨烯-氧化物 复合物等。这些复合物往往兼具石墨烯和另一用于复合的物质的共同优点，因此具有更为 广阔的运用前景。
[0004] 然而，由于石墨烯是二维平面结构，其在平面上的尺寸一定会限制物质从石墨烯 的一个面转移至另一个面，从而影响整个宏观体或复合物性能的发挥。
[0005] 有鉴于此，确有必要开发一种新的石墨烯宏观体，其结构不会阻碍物质从构成该 石墨烯宏观体的石墨烯片的一面向另一面转移的过程。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种多孔类石墨烯宏观体及 其制备方法：构成该多孔类石墨烯宏观体的类石墨烯片层倾向于同向排布，且整个宏观体 中分布有贯穿的直孔。类石墨烯片场倾向于同向排布避免了杂乱排布时石墨烯片层之间组 成物质无法进出的封闭区域；而分布于宏观体中的贯穿孔可以作为物质传输通道，极大的 缩短了物质从石墨烯片层的一侧绕过石墨烯片层边缘传递到石墨烯片层另一侧时的传输 路径；贯穿直孔可以作为物质在不同石墨烯片层之间的传输通道，从而避免了不同石墨烯 片层孔不对应时，物质从一片石墨烯片层孔洞经过石墨烯片层表面传递到另一石墨烯片层 孔洞处的距离。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种多孔类石墨烯宏观体，所述类石墨烯宏观体中含有类石墨烯，不低于20%的 所述类石墨烯片层倾向于同向排列（即石墨烯宏观体中含有的石墨烯片层所在平面与石 墨烯宏观体所在平面的夹角小于45° )，且整个宏观体中分布有贯穿的直孔。
[0009] 作为本发明多孔类石墨烯宏观体的一种改进，所述宏观体中含有的类石墨烯包括 氧化石墨烯、石墨烯、改性石墨烯、石墨烯复合物和氧化石墨烯复合物中的至少一种。
[0010] 作为本发明多孔类石墨烯宏观体的一种改进，所述石墨烯复合物是指以石墨烯或 改性石墨烯为基体，在石墨烯或改性石墨烯的片层表面或/和片层之间复合功能性物质得 到的复合物；所述氧化石墨烯复合物是指以氧化石墨烯为基体，在氧化石墨烯的片层表面 或/和片层之间复合功能性物质得到的复合物。
[0011] 作为本发明多孔类石墨烯宏观体的一种改进，所述石墨烯复合物中复合的功能性 物质包括催化剂、电极活性物质、导热材料、导电材料和填料中的至少一种；所述氧化石墨 烯复合物中复合的功能性物质包括催化剂、电极活性物质、导热材料、导电材料和填料中的 至少一种；所述催化剂是一种改变反应速率但不改变反应总标准吉布斯自由能的物质，例 如作为苯酚与甲醛反应合成酚醛树脂的催化剂氢氧化钠、作为氯酸钾生成氯化钾和氧气的 催化剂二氧化锰等；所述电极活性物质为具有电化学容量的物质，例如硅、石墨、钴酸锂、硫 等；导热材料为具有良好导热性能的材料，如金属铜等；导电材料为具有良好导电性能的 材料，例如碳纳米管、银等；填料是作为辅助组分的材料。
[0012] 作为本发明多孔类石墨烯宏观体的一种改进，所述倾向于同向排列的类石墨烯片 层的比例不低于50%。
[0013] 作为本发明多孔类石墨烯宏观体的一种改进，所述宏观体中分布的贯穿直孔为完 全贯穿直孔或部分贯穿直孔，且孔方向倾向于垂直于类石墨烯片层排列方向。
[0014] 本发明还包括一种多孔类石墨烯宏观体的制备方法，主要包括如下步骤：
[0015] 步骤1，类石墨稀宏观体的制备：采用定向排列方法，将类石墨稀片层做倾向于定 向的排列并组装得到宏观体，即类石墨烯宏观体；
[0016] 步骤2,多孔类石墨烯宏观体的制备：采用打孔方法，对步骤1得到的类石墨烯宏 观体进行打孔，且所述孔为贯穿孔。
[0017] 作为本发明多孔类石墨烯宏观体制备方法的一种改进，步骤1中所述的定向排列 方法包括气液界面自组装、磁化排布和过滤制作滤饼中的至少一种；所述气液界面自组装 方法是指在加热的状况下，片层材料在溶液的表面（即气液两相交接面）自发组装排布的 方法；磁化排布是指在磁场的作用力下，被磁化材料定向排布的方法；过滤制作滤饼的方 法是指将含有片层材料的悬浊液过滤，片层材料沉积并自发形成定向排布的方法。
[0018] 作为本发明多孔类石墨烯宏观体制备方法的一种改进，步骤2所述的打孔方法包 括激光烧蚀、离子轰击和机械打孔中至少一种。
[0019] 一种功能性器件，其特征在于，使用了权利要求1所述的多孔类石墨烯宏观体。
[0020] 本发明的优点在于：
[0021] 首先，提供了一种多孔类石墨烯宏观体：构成该多孔类石墨烯宏观体的类石墨烯 片层倾向于同向排布，且整个宏观体中分布有贯穿的直孔。类石墨烯片场倾向于同向排布 避免了杂乱排布时石墨烯片层之间组成物质无法进出的封闭区域；而分布于宏观体中的贯 穿孔可以作为物质传输通道，极大的缩短了物质从石墨烯片层的一侧绕过石墨烯片层边缘 传递到石墨烯片层另一侧时的传输路径；贯穿直孔可以作为物质在不同石墨烯片层之间的 传输通道，从而避免了不同石墨烯片层孔不对应时，物质从一片石墨烯片层孔洞经过石墨 烯片层表面传递到另一石墨烯片层孔洞处的距离。
[0022] 其次，提供了一种多孔类石墨烯宏观体的制备方法，该方法简单易行，成本低廉， 效率极高，便于工业化运用推广。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合【具体实施方式】对本发明及其有益效果进行详细说明，但本发明的实施方 式不限于此。
[0024] 比较例1，石墨烯宏观体制备：将氧化石墨烯与去离子水混合得到氧化石墨烯溶 液，之后采用气液界面自组装方法（即将氧化石墨烯水溶液盛于烧杯中，之后将烧杯置于 80°C水浴锅中加热，在烧杯中的溶液表面将自组装生成一层氧化石墨烯薄膜）制备得到氧 化石墨烯薄膜，之后捞出、干燥，再在氩气氛下500°C热处理2h，即可得到石墨烯宏观体。
[0025] 比较例2,石墨烯-硅复合物宏观体制备：将氧化石墨烯、纳米硅粉以及去离子水 混合得到稳定的较好的悬浊液，之后采用单层滤纸进行过滤得到滤饼，烘干后再在氩气氛 下500°C热处理2h，即可得到石墨烯-硅复合物宏观体。
[0026] 实施例1，与比较例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
[0027] 石墨烯宏观体制备：同比较例1。
[0028] 多孔石墨稀宏观体制备：采用机械打孔的方法，在上述石墨稀宏观体面上打圆孔， 孔间距为1_，孔直径为0. 2_，得到多孔石墨烯宏观体。
[0029] 实施例2,与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
[0030] 石墨烯宏观体制备：同比较例1。
[0031] 多孔石墨稀宏观体制备：采用机械打孔的方法，在上述石墨稀宏观体面上打圆孔， 孔间距为〇· 5mm，孔直径为0· 1mm，得到多孔石墨烯宏观体。
[0032] 实施例3,与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
[0033] 石墨烯宏观体制备：同比较例1。
[0034] 多孔石墨稀宏观体制备：采用机械打孔的方法，在上述石墨稀宏观体面上打圆孔， 孔间距为0. 2mm，孔直径为0. 05mm，得到多孔石墨稀宏观体。
[0035] 实施例4,与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
[0036] 石墨烯宏观体制备：同比较例1。
[0037] 多孔石墨烯宏观体制备：采用激光打孔的方法，在上述石墨烯宏观体面上打圆孔， 孔间距为0. 1mm，孔直径为0. 02mm，得到多孔石墨烯宏观体。
[0038] 实施例5,与比较例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
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