一種高取向石墨烯氣凝膠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高取向石墨烯氣凝膠及其制備方法，首先制備石墨烯或氧化石墨烯的分散液，然后將石墨烯或氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場取向的方法，獲得高取向的石墨烯或氧化石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，通過冷凍干燥或超臨界干燥后獲得高取向石墨烯氣凝膠。所得高取向石墨烯氣凝膠孔隙率高，孔隙沿著電場方向有很高的取向度，孔隙尺寸可控，可用于電池和超級電容器的電極材料、電子場發(fā)射源、隔熱散熱材料、吸附材料、高通量濾水材料和催化劑載體等。
【專利說明】
一種高取向石墨烯氣凝膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯氣凝膠的制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種高取向石墨烯氣凝膠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)是一種單分子層二維晶體，具有已知材料最高的強度以及優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，是目前最理想的二維納米材料，在材料、化學(xué)、生物、能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2010年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位教授Andre Gein^PKonstantinNovoselov因為首次成功分離出穩(wěn)定的石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎，掀起了全世界對石墨烯研究的熱潮。宏觀的石墨烯氣凝膠是納米級石墨烯的主要應(yīng)用形式之一。因其充分發(fā)揮了石墨烯比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的優(yōu)點，石墨烯氣凝膠可以用作電池和超級電容器的電極材料、電子場發(fā)射源、隔熱散熱材料、吸附材料、高通量濾水材料和催化劑載體等。
[0003]通過化學(xué)氣相沉淀法、冰模板法、自組裝法和水熱法等方法可以制備三維石墨烯氣凝膠。化學(xué)氣相沉淀法高度依賴于三維結(jié)構(gòu)的金屬模板，步驟繁瑣，操作復(fù)雜，難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化制備;冰模板法是以石墨烯或氧化石墨烯水溶液冷凍過程中的冰晶為模板制備氣凝膠的方法；自組裝法和水熱法利用石墨烯的液晶性和各向異性，在一定條件下獲得具有一定取向度的氣凝膠。
[0004]以上方法缺乏對石墨烯分散體系的預(yù)處理和預(yù)取向，獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有序性差。制備具有高度取向結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本
【申請人】提供了一種高取向石墨烯氣凝膠的制備方法。本發(fā)明所得高取向石墨烯氣凝膠孔隙率高，孔隙沿著電場方向有很高的取向度，孔隙尺寸可控，可用于電池和超級電容器的電極材料、電子場發(fā)射源、隔熱散熱材料、吸附材料、高通量濾水材料和催化劑載體等。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]本
【申請人】提供了一種高取向石墨烯氣凝膠的制備方法，具體步驟如下:
[0008](I)將Ig的石墨烯與20?10g的水混合，超聲分散后得到石墨烯分散液；
[0009](2)將步驟(I)制備得到的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?1000Hz，強度為50?5000V/m;
[0010](3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步冷凍干燥或者臨界冷凍干燥，得到高取向石墨烯氣凝膠。
[0011]優(yōu)選的，步驟(I)所述超聲分散的時間為:1O?100分鐘。
[0012]優(yōu)選的，步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為10?2000V/m。
[0013]本
【申請人】還提供了一種高取向氧化石墨烯氣凝膠的制備方法，具體步驟如下:
[0014](I)將Ig的氧化石墨烯與10?10g的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯分散液；
[0015](2)將步驟(I)制備得到的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的氧化石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為1?1000Hz，強度為 50 ?5000V/m;
[0016](3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步冷凍干燥或者臨界冷凍干燥，得到高取向氧化石墨烯氣凝膠。
[0017]將步驟(3)得到的高取向氧化石墨烯氣凝膠通過熱處理還原得到有序多孔的氧化石墨烯氣凝膠;或者將步驟(3)得到的高取向氧化石墨烯氣凝膠通過化學(xué)還原劑還原，經(jīng)過洗滌干燥得到有序多孔的氧化石墨烯氣凝膠。
[0018]優(yōu)選的，步驟(I)所述超聲分散的時間為:5?50分鐘。
[0019]優(yōu)選的，步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為10?2000V/m。
[0020]優(yōu)選的，步驟(3)冷凍干燥或者臨界冷凍干燥的時間為2_40h。
[0021]所述還原劑選自:
[0022]質(zhì)量分數(shù)為I% -40 %的水合肼、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的硼氫化鈉水溶液、質(zhì)量分數(shù)為5 % -50 %的維生素C水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的葡萄糖水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -40%的氫碘酸水溶液、質(zhì)量分數(shù)為1%-40%的醋酸水溶液、質(zhì)量分數(shù)為1%-40%的苯肼水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I %-40 %的氫溴酸水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I %-40 %的茶多酚水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的尿素水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -20 %的硫代硫酸鈉水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -5%的氫氧化鈉水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I %_40%的氫氧化鉀水溶液、或質(zhì)量分數(shù)為I %-40%的苯酚水溶液。
[0023]本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于:
[0024](I)使用石墨烯或氧化石墨烯為原料，適合大規(guī)模工業(yè)化制備；
[0025](2)制備方法充分利用石墨烯液晶屬性，操作簡便、綠色環(huán)保，不需要添加其他輔助性材料；
[0026](3)外加電場頻率和強度可控，制備的石墨烯氣凝膠取向度可以自由控制；
[0027](4)制得的高取向石墨烯氣凝膠密度可以調(diào)節(jié)，垂直于取向電場的方向有良好的彈性，同時有著優(yōu)異的熱導(dǎo)性和導(dǎo)電性。
【附圖說明】
[0028]圖1為電場誘導(dǎo)取向石墨烯或者氧化石墨烯分散液的原理示意圖；
[0029]圖2為石墨烯氣凝膠斷面的電子掃描顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行具體描述。
[0031]如圖1所示，利用石墨烯液晶對外加電場的響應(yīng)性制備三維的石墨烯氣凝膠。
[0032]本方法得到的高取向石墨烯氣凝膠，石墨烯取向排列形成沿電場方向通孔，密度為0.02-0.5g/cm3，垂直于取向電場方向的壓縮強度為l-ι5MPa，導(dǎo)電率大于1000S/m，孔隙率為80%-99.5%。這種具有大孔隙通孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠可以用作大表面積的結(jié)構(gòu)材料，作為電極材料有利于離子的擴散，作為水處理材料可以迅速吸附濾除污染物并保持大通量，通過負載不同客體材料可以實現(xiàn)多種功能。
[0033]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作具體描述，本實施例只用于對本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0034]實施例1:
[0035](I)加入Ig的石墨烯，6g的水，于24°C以12KHz的超聲處理I小時，得到石墨烯分散液；
[0036](2)將步驟(I)得到的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為1000Hz，強度為2000V/m的外加電場對溶液取向100分鐘，獲得高取向的石墨烯分散液；
[0037](3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步冷凍干燥或者臨界冷凍干燥40h，得到高取向石墨烯氣凝膠；
[0038]如圖2所示，所得的高取向石墨烯氣凝膠，石墨烯取向排列形成沿電場方向通孔，密度為0.2g/cm3，垂直于取向電場方向的壓縮強度為15MPa，取向度大于80%，導(dǎo)電率大于1000S/m，孔隙率為90 %，可以作為高效水處理材料，污染物濃度低于20mg/mL時，吸附率可以達到95 %。
[0039]實施例2:
[0040](I)加入Ig的石墨烯，10g的水，于60°C以5KHz的超聲處理10小時，得到石墨烯分散液；
[0041](2)將步驟(I)制備的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為50Hz，強度為1000V/m的外加電場對溶液取向80分鐘，獲得高取向的石墨烯分散液；
[0042](3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步冷凍干燥或者臨界冷凍干燥3h，得到高取向石墨烯氣凝膠；
[0043]所得的高取向石墨烯氣凝膠，石墨烯取向排列形成沿電場方向通孔，密度為
0.01g/cm3，垂直于取向電場方向的壓縮強度為IMPa，取向度大于90%，導(dǎo)電率大于1000S/m，孔隙率為99 %。
[0044]實施例3:
[0045](I)加入Ig的氧化石墨烯，30g的水，于40°C以1KHz的超聲處理5小時，得到氧化石墨烯分散液；
[0046](2)將步驟(I)制備的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為500Hz，強度為2000V/m的外加電場對溶液取向50分鐘，獲得高取向的氧化石墨烯分散液；
[0047](3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步冷凍干燥25h，得到高取向氧化石墨稀氣凝膠；
[0048](4)將步驟(3)獲得的有序多孔氧化氧化石墨烯氣凝膠通過熱處理還原得到有序多孔的氧化石墨烯氣凝膠；
[0049]所得的高取向石墨烯氣凝膠，石墨烯取向排列形成沿電場方向通孔，密度為0.5g/cm3，垂直于取向電場方向的壓縮強度為6MPa，取向度大于85%，導(dǎo)電率大于1000S/m，孔隙率為95.8%。
[0050] 實施例4:
[0051 ] (I)加入Ig的氧化石墨烯，5g的水，于35°C以15KHz的超聲處理I小時，得到氧化石墨烯分散液；
[0052](2)將步驟I制備的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過頻率為50Hz，強度為2000V/m的外加電場對溶液取向75分鐘，獲得高取向的氧化石墨烯分散液；
[0053](3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步臨界冷凍干燥25h，得到高取向氧化石墨烯氣凝膠；
[0054](4)將步驟(3)獲得的有序多孔氧化石墨烯膜置于質(zhì)量分數(shù)為10%水合肼中還原8小時，洗滌干燥得到石墨烯多孔有序膜。
[0055]所得的高取向石墨烯氣凝膠，石墨烯取向排列形成沿電場方向通孔，密度為0.03-0.07g/cm3，垂直于取向電場方向的壓縮強度為2-4MPa，取向度大于85 %，導(dǎo)電率大于1000S/m，孔隙率為94%，可以作為高效水處理材料，污染物濃度低于20mg/mL時，吸附率可以達到98 %。
【主權(quán)項】
1.一種高取向石墨稀氣凝膠的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)將Ig的石墨烯與20?10g的水混合，超聲分散后得到石墨烯分散液； (2)將步驟(I)制備得到的石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為1?I OOOHz，強度為50?5000V/m; (3)將步驟(2)得到的高取向的石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步冷凍干燥或者臨界冷凍干燥，得到高取向石墨烯氣凝膠。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(I)所述超聲分散的時間為:10?100分鐘。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為10?2000V/mo4.一種高取向氧化石墨稀氣凝膠的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)將Ig的氧化石墨烯與10?10g的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯分散液； (2)將步驟(I)制備得到的氧化石墨烯分散液置于帶電極的容器中，通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的氧化石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?1000Hz，強度為 50 ?5000V/m; (3)將步驟(2)得到的高取向的氧化石墨烯分散液，繼續(xù)保持電場作用，在液氮中冷凍凝固，再進一步冷凍干燥或者臨界冷凍干燥，得到高取向氧化石墨烯氣凝膠。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于將步驟(3)得到的高取向氧化石墨烯氣凝膠通過熱處理還原得到有序多孔的氧化石墨烯氣凝膠;或者將步驟(3)得到的高取向氧化石墨烯氣凝膠通過化學(xué)還原劑還原，經(jīng)過洗滌干燥得到有序多孔的氧化石墨烯氣凝膠。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(I)所述超聲分散的時間為:5?50分鐘。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(2)通過外加電場對溶液取向I?100分鐘，得到高取向的石墨烯分散液;所述外加交變電場的頻率為10?500Hz，強度為10?2000V/mo8.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的制備方法，其特征在于步驟(3)冷凍干燥或者臨界冷凍干燥的時間為2_40h。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述還原劑選自: 質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的水合肼、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的硼氫化鈉水溶液、質(zhì)量分數(shù)為5%~50%的維生素C水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I %-40 %的葡萄糖水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I %-40 %的氫碘酸水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的醋酸水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的苯肼水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的氫溴酸水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I % -40 %的茶多酚水溶液、質(zhì)量分數(shù)為1%-40%的尿素水溶液、質(zhì)量分數(shù)為1%-20%的硫代硫酸鈉水溶液、質(zhì)量分數(shù)為1%-5%的氫氧化鈉水溶液、質(zhì)量分數(shù)為I %-40%的氫氧化鉀水溶液、或質(zhì)量分數(shù)為I %-40%的苯酚水溶液。
【文檔編號】C04B38/00GK106044752SQ201610362004
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】劉崢, 王勤生, 楊永強, 劉淵, 金玲, 陳小豹
【申請人】江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院