[發明專利]一種石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410461586.1
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN104250005A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發明（設計）人: 李景燁;李吉豪;張伯武;李林繁
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 薛琦

技術領域

本發明涉及一種石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

石墨烯(Graphene)是具有真正的單原子層厚度和嚴格的二維結構，具有很高的機械強度，彈性，導熱性，導電性，以及量子霍爾效應等，近年來引起了學術界和工業界的廣泛關注。自從2010年英國科學家安德列杰姆和克斯特亞諾沃塞諾發現石墨烯而獲得諾貝爾獎以來，石墨烯研究達到前所未有的研究高潮，越來越多的研究發現，其在能量儲存，電學器件，催化及環境科學的特殊領域具有巨大的應用前景。

從實際應用角度考慮，將納米石墨烯材料轉變為宏觀結構材料中無疑是非常有價值的研究方向。已經有大量的研究針對宏觀石墨烯結構材料的研究和制備，尤其是宏觀三維石墨烯基塊體凝膠材料的制備研究。目前高碳和全碳的氣凝膠主要有以下幾種：純碳納米管氣凝膠(Cao?AY,et?al.Science,2005,310,1307-1310)、填充高分子的碳納米管氣凝膠(Mateusz,B.B.,et?al.Adv.Mater.,2007,19,661-664)、填充高分子的石墨烯氣凝膠(Chen,ZP,et?al.Nature?materials,2011,310,1307-1310)，填充碳納米管的石墨烯復合氣凝膠(Sun?HY,et?al.Adv.Mater.,2013,25,2554-2560)。純碳納米管氣凝膠成本高，難以規模化生產；以純石墨烯或氧化石墨烯為原料，通常需填充高分子或通過高溫化學還原來實現宏觀氣凝膠的制備，其制備過程比較復雜，反應條件為高溫高壓，對反應容器要求苛刻。

高能射線輻照，是一種高效率、低成本、低能耗、無污染的方法，所述高能射線包括伽馬射線或電子束等，目前廣泛應用于高分子合成與改性，環境污染物輻射降解，醫藥衛生、食品加工等領域，在石墨烯氣凝膠制備方面尚未報道。因此，將高能射線輻照應用于制備石墨烯氣凝膠的方法有待開發，其對石墨烯的應用研究及市場化生產具有十分重要的意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于為了克服現有技術中石墨烯氣凝膠的制備方法溫度高、工藝復雜的缺陷，提供了一種石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用。本發明采用輻照法制備石墨烯氣凝膠，目前尚無報道，該制備方法操作簡單，綠色環保；且利用本發明的制備方法制得的石墨烯氣凝膠為多孔且大孔結構，結構較均勻，可用于有機溶劑的吸附，具有重大的應用價值。

本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題的：

本發明提供了一種石墨烯氣凝膠的制備方法，其包括下述步驟：

(1)將氧化石墨烯分散液與胺類水溶性化合物均勻混合得到氧化石墨烯混合液；所述的胺類水溶性化合物為二乙胺、乙二胺、丙二胺、丁二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、聚烯丙基胺、N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺中的一種或多種；

(2)將所述氧化石墨烯混合液在無氧條件下用高能射線照射進行輻照反應得到氨基修飾石墨烯水凝膠；

(3)將步驟(2)所得氨基修飾石墨烯水凝膠進行冷凍干燥或超臨界二氧化碳干燥，得到石墨烯氣凝膠。

步驟(1)中，所述的氧化石墨烯分散液可為本領域常規方法制得的氧化石墨烯分散液，較佳地為采用氧化剝離石墨法(即Hummers法)制得的氧化石墨烯分散液，更佳地通過下述步驟制得：①預氧化：將石墨、濃硫酸和硝酸倒入水中，過濾，烘干；重復上述預氧化過程2～3次，得到預氧化石墨；②熱膨脹：將步驟①的預氧化石墨在400～900℃條件下熱膨脹10～30s，得到熱膨脹氧化石墨；③將步驟②的熱膨脹氧化石墨與濃硫酸、K₂S₂O₈和五氧化二磷的混合物在80℃下加熱，加入水過濾洗滌，干燥，得到預氧化熱膨脹石墨；④將步驟③的預氧化熱膨脹石墨與濃硫酸在0～5℃條件下混合，加入高錳酸鉀，反應，再加入雙氧水，靜置，離心洗滌，加入水攪拌即得氧化石墨烯分散液。

步驟(1)中，所述的氧化石墨烯分散液的用量較佳地為1～10mg/mL。

步驟(1)中，所述的氧化石墨烯混合液中所述的氧化石墨烯與所述的胺類水溶性化合物的質量比較佳地為(1:0.5)～(1:400)，更佳地為(1:1)～(1:100)。

步驟(2)中，所述的無氧條件較佳地為通氮氣和/或氬氣除氧。

步驟(2)中，所述的高能射線較佳地為鈷60γ射線或電子束射線。