[發明專利]一種三維多孔石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201910274621.1
• 申請日: 2019-04-08
• 公開（公告）號: CN110078058A
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 沈曉冬;邵高峰;崔升
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/194;C04B35/56;C04B35/58;C04B35/622
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

本發明涉及一種三維多孔石墨烯?聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料及其制備方法。以三維多孔石墨烯網絡結構為骨架，通過聚合物前驅體溶液浸漬，冷凍干燥，交聯，裂解過程得到三維多孔石墨烯?聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料。這種方法可以克服石墨烯在聚合物前驅體溶液中團聚和分散不均勻的缺點。三維石墨烯網絡骨架不僅可以有效提高復合材料導電性能，同時能夠提高復合材料的活性位點。在金屬離子電池，高溫傳感器和電磁屏蔽材料領域有著廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種三維多孔石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料及其制備方法，屬于復合材料制備技術領域。

背景技術

聚合物前驅體轉化陶瓷材料(Polymer-derived ceramics，PDCs)由于具有良好的高溫性能和可調節的電學性能被廣泛應用在金屬離子電池，微生物燃料電池，高溫傳感器，微機電系統和電磁屏蔽領域。然而由于PDC中的納米級別碳簇(游離碳)的含量較低，很大程度上限制了其在電學及電化學領域的潛在應用。因此，關于如何提高PDC導電性能的方法被相繼開發出來，包括改變裂解溫度，采用富碳前驅體以及在陶瓷基體中引入導電物質。石墨烯及其衍生物，作為一種導電性能非常優異的材料，已被引入到PDC中來改變其物理性能。目前研究者通常采用機械混合或者化學交聯等傳統的“自上而下”的方法將石墨烯或者氧化石墨烯與聚合物前驅體混合，交聯，裂解得到石墨烯/聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料。然而石墨烯的高比表面積特性導致其容易隨機堆疊和團聚，使得復合材料存在諸多微觀缺陷；同時低石墨烯載量、石墨烯在基體中的無序分布和不連通的導電網絡結構使得復合材料導電性能的提高空間有限。因此通過傳統的“自上而下”的方法將石墨烯均勻的分散于前驅體溶液中仍存在諸多瓶頸。

發明內容

本發明的技術解決問題是：為了解決石墨烯片在聚合物前驅體溶液中分散性差，載量低及無序分布的缺點，提供了一種三維多孔石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料，本發明的另一目的是提供了上述材料的制備方法；為了解決石墨烯在聚合物前驅體溶液中分散性差的問題，本發明提供了一種“自下而上”制備多孔石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷材料的方法。

本發明的技術方案為：一種三維多孔石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料，其特征在于三維石墨烯網絡結構填充聚合物前驅體轉化陶瓷材料，且網絡內部呈現聚合物前驅體轉化陶瓷-石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷“三明治”結構；石墨烯的質量占復合材料總質量的1～50％。

優選所述的聚合物前驅體轉化陶瓷為SiOC、SiOCN或SiCN中的一種或幾種。

本發明所述的三維多孔石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料的密度為11.5～1500mg/cm³，導電率為1.2～165S/m。

本發明還提供了一種制備上述的三維多孔石墨烯-聚合物前驅體轉化陶瓷復合材料的方法，其具體步驟如下：

(1)分別量取氧化石墨烯水溶液和還原劑，氧化石墨烯和還原劑的質量比為1：(1～5)；經過磁力攪拌，超聲分散后得到混合溶液；

(2)將步驟(1)制備的混合溶液轉移到玻璃瓶中，密封放置到50-90℃的烘箱中自組裝6～24h后，得到三維還原氧化石墨烯水凝膠；

(3)將步驟(2)制備得到的三維還原氧化石墨烯水凝膠放入乙醇的水溶液中老化后，放入-20～-80℃的條件下冷凍12～24h，取出放入冷凍干燥設備中干燥，得到三維還原氧化石墨烯氣凝膠；

(4)將步驟(3)制備得到的氣凝膠放置管式爐中，Ar氛圍中，溫度升至800～1000℃，保溫1～3h，自然降溫，得到三維氮摻雜石墨烯氣凝膠；

(5)量取聚合物前驅體和有機溶劑于容器中，充分攪拌均勻；其中聚合物前驅體和有機溶劑的質量體積比為5～200mg/ml；