[發(fā)明專利]一種制備具有三維宏觀多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410333539.9
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN104071785A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林璋;李超然;黃洋
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京慶峰財智知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11417
• 代理人: 劉元霞;謝蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種通過溶液法制備具有三維宏觀多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯的方法，屬于多孔宏觀體碳材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯一直被視為極具潛力的大容量耐酸堿吸附劑，在環(huán)境領(lǐng)域被廣為研究。然而，由層間作用力引起的材料垛疊團聚、使用后難以回收等問題一直制約了石墨烯的進一步應(yīng)用。近兩年來，一類三維石墨烯基塊體材料迅速成為了人們的關(guān)注熱點。這類三維石墨烯基塊材往往具有低密度、多孔隙的特點，有利于離子和分子在材料中通過；更重要的是，這類塊體材料仍有效地保留單層石墨烯高比表面的特性，可以在吸附時提供豐富的活性位點且更易回收。越來越多的研究表明，三維石墨烯對重金屬離子、有機溶液以及染料等環(huán)境污染物，具有良好的吸附效果。而為了進一步探索這類新材料在環(huán)境中的應(yīng)用，一種適宜吸附應(yīng)用的合成方法就變得必不可少了。

目前，三維石墨烯材料合成方法可分為模板法和非模板法兩大類。模板法利用氣相沉積在犧牲模板上生長出三維石墨烯結(jié)構(gòu)，對溫度和氣氛控制有較高要求；非模板法中，直接干燥法通常需要用到真空冷凍干燥或高壓超臨界干燥技術(shù)。相比之下，另一種非模板法——還原自組裝法簡單易行，近來逐漸得到更多的研究。Xu等利用水熱法直接從氧化石墨烯還原組裝獲得純凈的三維石墨烯結(jié)構(gòu)，但該法需要高溫(90～200℃)高壓且受限于反應(yīng)釜尺寸，難以實現(xiàn)宏量合成(Y.Xu,K.Sheng,C.Li?and?G.Shi,Self-assembled?graphene?hydrogel?via?a?one-step?hydrothermal?process.ACS?Nano,2010,4,4324-4330.)；Zhao等將吡咯等化合物作為交聯(lián)劑獲得了極大比表面的超輕可逆壓縮三維結(jié)構(gòu)(J.Zhao,W.Ren?and?H.Cheng,Graphene?sponge?for?efficient?and?repeatable?adsorption?and?desorption?of?water?contaminations.Journal?of?Materials?Chemistry,2012,22,20197-20202.)，但高毒的交聯(lián)劑最終進入三維石墨烯的內(nèi)部，不適用于環(huán)境。另外，還有一系列加入NaHSO3、Na2S、HI、NaBH4、對苯二酚以及VC等強還原劑，在95℃下獲得三維石墨烯結(jié)構(gòu)的低溫還原自組裝法(L.Zhang,G.Chen,M.N.Hedhili,H.Zhang?and?P.Wang,Three-dimensional?assemblies?of?grapheme?prepared?by?a?novel?chemical?reduction-induced?self-assembly?method.Nanoscale,2012,4,7038-7045.)，這類方法對設(shè)備操作要求低、綠色節(jié)能便于量產(chǎn)，環(huán)境應(yīng)用潛力大。然而應(yīng)該注意到，目前該法需使用的還原劑反應(yīng)活性較高，遇水、氧氣、光照均會發(fā)生分解；同時隨著還原反應(yīng)的進行，還原劑也將不斷消耗，均造成成本的提升；另外，這些還原劑及其還原產(chǎn)物大部分具有高毒性，并不適于環(huán)境應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種溶液法循環(huán)制備三維石墨烯多孔宏觀材料的方法，該方法具有制備過程簡單、條件溫和，成本低廉，綠色無毒等特點。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種制備具有三維宏觀多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯的方法，包括如下步驟：

a)制備乙二胺四乙酸二鈉水溶液；

b)制備氧化石墨烯粉末；

c)將步驟b)中制備的氧化石墨烯粉末加入到步驟a)中制備的乙二胺四乙酸二鈉水溶液中，超聲使分散均勻，得到氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二鈉溶液；

d)將步驟c)中得到的氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二鈉溶液密封后，于90～100℃下進行原位自組裝，得到三維石墨烯水凝膠，即具有三維宏觀多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯材料。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明還包括步驟e)：將步驟d)中的三維石墨烯水凝膠取出后，再次向溶液中加入步驟b)中得到的氧化石墨烯粉末，再次超聲使分散均勻，得到氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二鈉溶液，將所述氧化石墨烯-乙二胺四乙酸二鈉溶液密封后于90～100℃下再次進行原位自組裝，再次得到三維石墨烯水凝膠，步驟e可重復(fù)操作9次。

作為優(yōu)選方案，所述乙二胺四乙酸二鈉水溶液的濃度為0.15～0.25mol/L。

作為優(yōu)選方案，所述氧化石墨烯粉末的制備方法為Hummers法。