[發(fā)明專利]高導(dǎo)電性聚合物-碳基復(fù)合氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910270868.6
• 申請(qǐng)日: 2019-04-04
• 公開（公告）號(hào): CN110157210B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尚靜;亨利·格萊客;朱彤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): C08L101/00
• 分類號(hào): C08L101/00;C08K3/04;C08J9/28;B01J13/00
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 邱曉鋒

本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)電性聚合物?碳基復(fù)合氣凝膠及其制備方法。該高導(dǎo)電性聚合物?碳基復(fù)合氣凝膠包括以片狀納米結(jié)構(gòu)排列的碳原子，以及與所述碳原子以共價(jià)鍵相連的聚合物；所述聚合物包含具有至少一個(gè)羧基的化合物和具有至少一個(gè)醇基的聚合物。該聚合物?碳基復(fù)合氣凝膠為聚合物?氧化石墨烯復(fù)合氣凝膠或者聚合物?石墨烯復(fù)合氣凝膠；具有至少一個(gè)羧基的化合物為4?羧基苯甲醛等，具有至少一個(gè)醇基的聚合物為聚乙烯醇、對(duì)聚對(duì)亞苯基進(jìn)行羥基的修飾得到的聚合物、對(duì)聚對(duì)二甲苯進(jìn)行羥基的修飾得到的聚合物等。本發(fā)明的氣凝膠使用純氧化石墨烯或石墨烯，通過共價(jià)鍵與固有導(dǎo)電聚合物結(jié)合，大大改善了導(dǎo)電性能，利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料化學(xué)、納米技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高導(dǎo)電性聚合物-碳基復(fù)合氣凝膠的制備方法。

背景技術(shù)

氣凝膠是具有高相對(duì)表面積和納米孔徑的開孔泡沫結(jié)構(gòu)的三維材料。最常見的氣凝膠是二氧化硅氣凝膠，它由結(jié)合的硅原子和氧原子結(jié)合成長鏈，然后形成隨機(jī)連接在一起的珠子，并在它們之間形成氣穴。

二氧化硅氣凝膠是已知密度最低的固體之一，并具有許多潛在的有用性質(zhì)。然而，與制造二氧化硅氣凝膠相關(guān)的高生產(chǎn)成本限制了廣泛的商業(yè)應(yīng)用，這些應(yīng)用目前僅限于高價(jià)值的軍事和航天項(xiàng)目。另一種類型的氣凝膠是碳基氣凝膠，它由聚集的碳納米顆粒網(wǎng)絡(luò)組成。碳?xì)饽z具有與二氧化硅氣凝膠類似的性質(zhì)，但往往具有優(yōu)異的機(jī)械完整性。純的碳?xì)饽z及聚合物復(fù)合的碳?xì)饽z還具有導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性取決于密度，值通常在10^-8to 10^-1S/cm范圍。碳?xì)饽z在紅外區(qū)域具有極強(qiáng)的吸收，僅反射250nm至14.3um之間的0.3％的輻射。此外，由于這種固體只通過窄的原子鏈傳導(dǎo)熱量，因此碳?xì)饽z的導(dǎo)熱系數(shù)可以低于或等于空氣。碳?xì)饽z的這些特殊特性使其具有許多工業(yè)應(yīng)用，包括脫鹽、隔熱和/或隔音、太陽能收集、催化劑支持等。

石墨烯是由sp²鍵合的碳原子組成的單原子厚的平面薄片，密集地堆積在蜂窩狀晶格中。石墨烯是一種二維的建筑材料，用于所有其他維度的碳材料。它可以被包裹成富勒烯家族，像納米管一樣卷成一維或者堆疊成三維石墨。石墨烯具有與碳納米管類似的優(yōu)異的平面內(nèi)機(jī)械、結(jié)構(gòu)、熱和電學(xué)性能。以前的研究使用聚合物增強(qiáng)石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，在這些研究中，使用的聚合物(如聚乙烯醇，PVA)并沒有與石墨烯或氧化石墨烯(GO)片層結(jié)構(gòu)相連，形成的聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與實(shí)際的碳骨架結(jié)構(gòu)是分離的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種新型的復(fù)合碳基氣凝膠的制備方法，這種氣凝膠使用純氧化石墨烯或石墨烯，通過共價(jià)鍵與固有導(dǎo)電聚合物結(jié)合，大大改善了導(dǎo)電性能，并有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的氣凝膠中的碳原子以片狀納米結(jié)構(gòu)排列，并創(chuàng)造性地通過具有高導(dǎo)電性的固有導(dǎo)電聚合物(intrinsically conductive polymer,ICP)連接在一起。該方法包括采用氧化石墨為原料、在液體中形成氧化石墨的溶膠-凝膠分散體、以及干燥分散體以形成氧化石墨烯氣凝膠。該方法還包括將氣凝膠中的氧化石墨烯還原為石墨烯。該方法還包括在使用氧化石墨烯形成網(wǎng)絡(luò)的過程中原位生成新的導(dǎo)電聚合物。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高導(dǎo)電性聚合物-碳基復(fù)合氣凝膠，包括以片狀納米結(jié)構(gòu)排列的碳原子，以及與所述碳原子以共價(jià)鍵相連的聚合物；所述聚合物包含具有至少一個(gè)羧基的化合物和具有至少一個(gè)醇基的聚合物。

進(jìn)一步地，所述聚合物-碳基復(fù)合氣凝膠為聚合物-氧化石墨烯復(fù)合氣凝膠或者聚合物-石墨烯復(fù)合氣凝膠。

進(jìn)一步地，所述具有至少一個(gè)羧基的化合物為4-羧基苯甲醛，所述具有至少一個(gè)醇基的聚合物為下列中的一種：聚乙烯醇、對(duì)聚對(duì)亞苯基進(jìn)行羥基的修飾得到的聚合物、對(duì)聚對(duì)二甲苯進(jìn)行羥基的修飾得到的聚合物。

一種制備所述高導(dǎo)電性聚合物-碳基復(fù)合氣凝膠的方法，包括以下步驟：