[發(fā)明專利]一種三維石墨烯復(fù)合材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810241330.8
• 申請(qǐng)日: 2018-03-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110294469A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃富強(qiáng);王森;孫甜;丁衛(wèi);劉戰(zhàn)強(qiáng);馮炫凱;于劉濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): C01B32/184
• 分類號(hào): C01B32/184;C01B32/05
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

本發(fā)明涉及一種三維石墨烯復(fù)合材料及其制備方法，所述制備包括：將氧化石墨烯、水溶性酚醛樹(shù)脂和水混合后，在120～200℃水熱反應(yīng)3～24 小時(shí)，得到三維石墨烯水凝膠，洗滌和干燥后置于惰性氣氛中，在400～1000℃下熱處理0.5～10 小時(shí)，得到三維石墨烯復(fù)合材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種三維石墨烯復(fù)合材料及其制備方法，屬于石墨烯復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自2004年石墨烯(graphene)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其優(yōu)異的機(jī)械、電學(xué)、熱力學(xué)性能，在各個(gè)領(lǐng)域被認(rèn)為具有非常好的前景且應(yīng)用范圍廣泛，因此石墨烯在近年來(lái)迅速成為新材料和新能源等高新領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。三維石墨烯是由二維石墨烯組裝而成且保留了二維石墨烯良好的物理化學(xué)性能，同時(shí)還有著高的比表面積、多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和可重復(fù)使用等特點(diǎn)。三維石墨烯及其復(fù)合材料優(yōu)良的特性和獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)使其在吸附、催化、傳感器、散熱及儲(chǔ)能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，有望能夠得到實(shí)際應(yīng)用。

單個(gè)的石墨烯片因強(qiáng)π-π鍵的作用下，會(huì)發(fā)生聚合團(tuán)聚，如此則大大減少了石墨烯的比表面積，并且也會(huì)因?yàn)槠瑢咏佑|不理想，導(dǎo)致原先高導(dǎo)電性石墨烯的內(nèi)阻較大而導(dǎo)電性大大降低。為了解決所述問(wèn)題，一個(gè)可能的解決辦法就是制備具有高電導(dǎo)率、大表面積、大孔隙率的石墨烯三維結(jié)構(gòu)。目前制備三維石墨烯主要包括，化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、水熱處理法。其中，化學(xué)氣相沉積法能制備大面積，高質(zhì)量的石墨烯，但該方法石墨烯產(chǎn)量低，難以大規(guī)模化生產(chǎn)；氧化還原法雖有大規(guī)模生產(chǎn)潛力，但表面含氧官能團(tuán)很難徹底去除，制備過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重團(tuán)聚，進(jìn)而大大降低石墨烯比表面積；水熱法易實(shí)現(xiàn)制備三維石墨烯，且工藝簡(jiǎn)單。然而，水熱處理法也會(huì)出現(xiàn)孔隙率小，導(dǎo)電率較低，導(dǎo)熱率較差等問(wèn)題。為進(jìn)一步提高三維石墨烯物理化學(xué)性能，有必要對(duì)三維石墨烯進(jìn)行調(diào)控改性，這也對(duì)于三維石墨烯下一步大規(guī)模應(yīng)用具有重要的推動(dòng)意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱和良好吸附性能的三維石墨烯復(fù)合材料及其制備方法。

一方面，本發(fā)明提供了一種三維石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括：

將氧化石墨烯、水溶性酚醛樹(shù)脂和水混合后，在120～200℃水熱反應(yīng)3～24小時(shí)，得到三維石墨烯水凝膠，經(jīng)洗滌和干燥后置于惰性氣氛中，在400～1000℃下熱處理0.5～10小時(shí)，得到三維石墨烯復(fù)合材料。

本發(fā)明將水溶性酚醛樹(shù)脂與氧化石墨烯復(fù)合，水熱條件(溫度為120～200℃，時(shí)間為3～24小時(shí))下形成三維石墨烯水凝膠，經(jīng)洗滌和干燥后在惰性氣氛下熱處理(溫度為400～1000℃，時(shí)間0.5～10小時(shí))，得到三維石墨烯復(fù)合材料。其中，酚醛樹(shù)脂具有大分子三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且高交聯(lián)密度的特點(diǎn)，原子間鍵能高，分子間內(nèi)聚力大，熱解后具有高殘?zhí)柯始俺商拷Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的特性。在水熱條件下時(shí)，水溶性酚醛樹(shù)脂和氧化石墨烯水熱交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高三維石墨烯比表面積。在后續(xù)熱處理過(guò)程中，酚醛樹(shù)脂熱解，具有高殘?zhí)柯始俺商拷Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的特性，有利于提高三維石墨烯的導(dǎo)電，導(dǎo)熱，吸附性能。

較佳地，所述氧化石墨烯是采用改性Hummers方法制備得到。

較佳地，所述水溶性酚醛樹(shù)脂和氧化石墨烯的質(zhì)量比為1～30wt％，優(yōu)選為10～20wt％。

較佳地，所述干燥為真空干燥、自然干燥、冷凍干燥、或超臨界干燥法。

又，較佳地，所述冷凍干燥的氣壓小于2Pa，溫度為-44～-78℃(優(yōu)選-50～-70℃)，時(shí)間為24～72小時(shí)；所述真空干燥的真空度小于-0.1MPa，溫度為60～90℃，時(shí)間為12～48小時(shí)。

較佳地，所述惰性氣氛為氬氣或/和氮?dú)狻?/p>