[發(fā)明專利]一種基于傳統(tǒng)海綿為模板制備石墨烯海綿的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410032234.4
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103819890A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李宜彬;秦余楊;赫曉東;李建軍;魏麗紅
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C08L75/04
• 分類號: C08L75/04;C08K3/04;C01B31/04;C25D13/02;C25D13/12
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 侯靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備石墨烯海綿的方法。

背景技術(shù)

石墨烯被定義為僅由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)，每個碳原子和相鄰的三個碳原子形成共價鍵。雖然石墨烯僅由一層碳原子構(gòu)成，但其形貌可以被多種儀器所觀測，以此來表征石墨烯的層數(shù)、厚度及其晶化程度等重要信息。石墨烯中每個碳原子都有一個s軌道和三個p軌道，其中s軌道和兩個p軌道與周圍相鄰的三個碳原子形成化學(xué)鍵，對石墨烯的電導(dǎo)率沒有貢獻(xiàn)，而剩余的一個p軌道相互雜化，形成價帶和導(dǎo)帶，影響著石墨烯的電學(xué)性能。

石墨烯具有獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能。自由電子在石墨烯上的傳輸不易發(fā)生散射，電子遷移率可以達(dá)到2×10⁵cm/V·s，是硅中電子遷移率的一百多倍；其電導(dǎo)率高達(dá)10⁶S/m，是室溫下絕佳的導(dǎo)電材料。石墨烯彈性模量高達(dá)1TPa，斷裂強(qiáng)度為125GPa，室溫?zé)釋?dǎo)率為5.3×10³W/m·K，比表面積為2630m²/g。石墨烯也具有優(yōu)異的光學(xué)性能，單層石墨烯的可見光吸收率僅為2.3%，由此可根據(jù)薄層石墨烯的可見光透過率來估算出石墨烯的層數(shù)。另外，紫外光對石墨烯有刻蝕作用，隨著紫外光照射時間的增加，石墨烯薄膜的結(jié)構(gòu)不斷被破壞，其可見光透過率和薄膜面電阻都在上升。這種二維的石墨烯薄膜除了具有高導(dǎo)電性和透過率之外，還展現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可作為太陽能透明電極的替代物。因此石墨烯在復(fù)合材料、催化材料、儲能材料、高功能納電子器件、氣體傳感器等領(lǐng)域具有相當(dāng)大的應(yīng)用價值，也吸引眾多學(xué)者展開對石墨烯深入系統(tǒng)地研究。

2013年，中國科學(xué)院金屬研究所成會明教授以Ni泡沫為模板，利用化學(xué)氣相沉積法制備出了石墨烯海綿。這種方法是將氣體碳源在高溫條件下沉積于金屬模板表面形成石墨烯，通過石墨烯的不斷層層堆砌，形成石墨烯海綿母體結(jié)構(gòu)，之后在其表面涂覆一層PDMS，最后通過鹽酸除去金屬Ni模板，得到石墨烯-PDMS海綿。這種海綿具有很好的壓縮性能和導(dǎo)電性能。然而，在制備過程中由于受到實驗設(shè)備的限制，使得難以制備出較大體積的石墨烯海綿，不能夠很好地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中，這也在一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。

綜上所述，現(xiàn)有石墨烯海綿的產(chǎn)品存在尺寸受設(shè)備限制的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決現(xiàn)有石墨烯海綿的產(chǎn)品存在尺寸受設(shè)備限制的問題，提供一種基于傳統(tǒng)海綿為模板制備石墨烯海綿的方法。

一種基于傳統(tǒng)海綿為模板制備石墨烯海綿的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的：

一、制備氧化石墨烯：在攪拌速度為100r/min～800r/min的條件下，將天然鱗片石墨加入到硫酸和磷酸混酸中制得混合物，將混合物攪拌10min～60min后，再向攪拌后的混合物中分3～10次加入高錳酸鉀，得到加入高錳酸鉀后的混合物，在溫度為30℃～80℃和攪拌速度為200r/min～800r/min下，將加入高錳酸鉀后的混合物置于水浴鍋中恒溫攪拌4h～20h，得到恒溫攪拌后的混合物，然后將恒溫攪拌后的混合物加入冰水中，并向冰水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水，得到氧化石墨烯懸濁液，最后將氧化石墨烯懸濁液進(jìn)行抽濾，離心洗滌處理及干燥，即得到氧化石墨烯；

所述的硫酸和磷酸混酸的體積與天然鱗片石墨的質(zhì)量比為(10mL～400mL):1g；所述的高錳酸鉀的質(zhì)量與硫酸和磷酸混酸的體積比為(4g～100g):1L；所述的天然鱗片石墨的質(zhì)量與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水的體積比為1g:(1mL～6mL)；

二、還原氧化石墨烯：將氧化石墨烯與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%水合肼水溶液還原劑置于密封反應(yīng)容器中，并在溫度為50℃～150℃下反應(yīng)3h～50h，得到化學(xué)還原后的石墨烯；

所述的氧化石墨烯的質(zhì)量與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%水合肼水溶液還原劑的體積比為1g:(5mL～50mL)；

三、配制石墨烯分散液：將步驟二制得的化學(xué)還原后的石墨烯加入去離子水中并攪拌均勻，并在頻率為10KHz～100KHz下，進(jìn)行超聲處理30min～60min，得到石墨烯分散液；

所述的石墨烯分散液的濃度為0.5mg/mL～20mg/mL；

四、電泳法制備石墨烯海綿：將正負(fù)電極分別插入海綿兩側(cè)并置于石墨烯分散液中進(jìn)行電泳反應(yīng)，得到電泳法制備的石墨烯海綿；

所述的電泳反應(yīng)為10V～600V下反應(yīng)10min～24h；