[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: 201710801314.5
• 申請日: 2017-09-07
• 公開（公告）號: CN107585758B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 謝煒;廖晨博;朱旭坤;徐尚;匡加才;鄧應軍;曾鶴智
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;H05K9/00
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所(普通合伙) 43205
• 代理人: 陸僖;寧星耀

技術領域

本發明涉及一種氣凝膠及其制備方法和應用，具體涉及一種石墨烯氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

石墨烯由于其獨特的微觀結構在力學、電學、光學、催化及環保等領域表現出極佳的性能，自Mikhailov和Liang等研究了石墨烯在電磁波方面的干擾和響應特性，發現石墨烯在X波段電磁干擾效果好，石墨烯電子對頻率的輻射具有非線性響應特點以來，目前為止，可從SCI Web of Science檢索到近240余篇石墨烯應用于電磁屏蔽與吸波材料的文獻，已被中國、美國、俄羅斯、法國、意大利、土耳其、印度和韓國等相關領域的研究者所關注。理論和實踐都表明，石墨烯/聚合物納米復合材料對微波的吸收源于導電損耗、極化作用、界面散射和多重散射的綜合作用。

但是根據實際應用要求，低成本高效制備石墨烯仍存在很大挑戰，且獲得層數少而高質量石墨烯結構的手段仍然有限。2004 年，英國曼徹斯特大學的Geim 研究小組首次制備出穩定的石墨烯，推翻了經典的“熱力學漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的理論，震撼了整個物理界，引發了石墨烯的研究熱潮。目前，研究人員除了在探索制備石墨烯的新途徑，還在石墨烯制備原料方面進行了有益地嘗試，傳統的化學方法制備石墨烯均以鱗片石墨為原料，中科院山西煤化所王俊中、華僑大學陳國華、西南科技大學彭同江所在的課題組以微晶石墨為原料，分別采用電化學剝離法、球磨法和熱剝離法制備了微晶石墨烯，拉開了微晶石墨制備石墨烯及應用研究的序幕，這為提升天然微晶石墨的高科技附加值指明了方向，但是，電化學剝離法反應體系復雜，后處理工藝多；熱剝離法需要在上千攝氏度的情況下對原料進行剝離后，在保護氣氛下進行還原，有時還需用到氫氣等危險氣體，反應條件復雜，控制難度大；球磨法需要較長的時間，通常都是幾十個小時，而且在球磨完成后還需要超聲溶解等后續步驟。同時，上述方法制備的都為粉末狀石墨烯，不具有宏觀及微觀三維空間結構，在應用方面受到一定的限制。需要特別指出的是，在軍事裝備領域由于需要大面積的覆蓋，吸收劑生產效率的高低是一個很重要的因素。

石墨烯水凝膠和氣凝膠在保留石墨烯優良性能的同時，通過構建三維空間結構一定程度上緩解了石墨烯片層之間容易發生團聚的缺點，能夠獲得具有比表面積大、機械強度高、電子傳導能力優越，且傳質快速等優良特性的石墨烯結構改良材料。石墨烯氣凝膠的制備主要有模板法以及自組裝兩種工藝思路，模板法多用于可控制備方面的研究，可以通過控制所用模板的結構特征來控制石墨烯氣凝膠的結構，但工藝流程相對復雜，工藝設備要求高，不利于產業化。

CN105097298 A公開了一種利用氧化石墨烯溶液制備石墨烯水凝膠電極的方法，該方法解決了制備超級電容器用石墨烯電極工藝復雜的問題，具有反應條件溫和、過程時間短、操作簡單能耗低等優點。但是，該工藝方案中存在需要反復使用氯化鋇檢測硫酸根，氧化石墨烯溶液需經過冷凍干燥后再配成分散液，氧化石墨烯分散液需靜置較長時間等影響生產效率的缺點，雖然有利于減少產物內的雜質元素，提升石墨烯產品的純度，但雜質元素的存在在石墨烯材料應用于某些領域時是有利因素，且該工藝方案不利于石墨烯產品的產業化，同時水凝膠形態下石墨烯的應用受到了一定的限制，不適于在需要隔離水的環境中使用，也容易在使用過程中再次受到污染，導致之前因去除雜質而反復進行的工藝流程失去意義，造成資源和成本的浪費。

CN101602504A公開了一種基于抗壞血酸制備石墨烯的方法，該方法對前人的工藝方案進行了改進，放棄了添加劑的使用，從而杜絕了添加劑對石墨烯后續的應用所產生的不利影響，同時也放棄了使用有毒有害、不利于操作、對環境有嚴重污染性的水合肼，改用抗壞血酸作為還原劑。但是，該方法中所使用的過濾-洗滌的方法，會在濾紙上留下大量的氧化石墨且很難回收利用，造成資源浪費的同時還產生了額外的副產物，不利于提高生產效率和實現工業化生產；同時該方法中，對酸洗部分以及去離子水都有溫度要求，從所控制的較高的溫度來看，都需要消耗大量的能源加熱，以上兩點均不符合建立資源節約型和環境友好型社會的基本國策。更何況，該方法制備的是石墨烯粉末，不具備石墨烯水凝膠或者氣凝膠的三維網絡結構，無法發揮微/宏觀結構對石墨烯產品性能的改良作用，在應用方面受到了一些限制。