[發(fā)明專(zhuān)利]一種全碳石墨烯氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911029039.5
• 申請(qǐng)日: 2019-10-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110562964B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳笑笑;付明來(lái)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/184
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/184;C01B32/194
• 代理公司: 廈門(mén)市精誠(chéng)新創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 35218
• 代理人: 秦華

本發(fā)明公開(kāi)了一種全碳石墨烯氣凝膠及其制備方法。具體為，將氧化石墨烯水溶液的pH調(diào)節(jié)至堿性并加熱回流，分離得到黑色粘稠底物；對(duì)黑色粘稠底物進(jìn)行酸化處理并加熱回流，降溫后離心分離和水洗獲得老化氧化石墨烯分散液；再與聚合物水溶液均勻混合，加入戊二醛后加熱交聯(lián)后置于模具中，于液氮中進(jìn)行定向冷凍，再室溫解凍后，加入化學(xué)還原劑加熱還原，再進(jìn)行水洗和干燥，并在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚罱K得到全碳石墨烯氣凝膠。所述全碳石墨烯氣凝膠的結(jié)構(gòu)中片層間連接良好，內(nèi)部孔隙豐富，可承受上千次的壓縮?回彈循環(huán)測(cè)試，其展現(xiàn)出超輕、超強(qiáng)彈性和高導(dǎo)電等優(yōu)異特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯領(lǐng)域，尤其涉及一種全碳石墨烯氣凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯氣凝膠是由石墨烯納米片層通過(guò)π-π作用和疏水作用等交聯(lián)得到的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不但良好保持了石墨烯納米片層自身的高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等優(yōu)異特性，同時(shí)還具有超低密度、內(nèi)部孔隙豐富等新優(yōu)點(diǎn)，在電池、超級(jí)電容器、環(huán)境污染修復(fù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

目前化學(xué)氧化法制備的氧化石墨烯是大批量廉價(jià)制備石墨烯氣凝膠的重要原料，但是由于氧化石墨烯片層間交聯(lián)作用較弱，以氧化石墨烯制備的氣凝膠往往結(jié)構(gòu)較脆、機(jī)械性能差，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。為增強(qiáng)片層間的交聯(lián)，國(guó)內(nèi)外研究者大多考慮引入帶有氨基、羥基或羧基等小分子、聚合物等作為片層交聯(lián)劑，從而構(gòu)建結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌的石墨烯復(fù)合氣凝膠。申請(qǐng)?zhí)朇N103537236A的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了通過(guò)聚合物的粘結(jié)作用，構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定石墨烯氣凝膠。申請(qǐng)?zhí)朇N109331751 A的中國(guó)專(zhuān)利通過(guò)引入兩種交聯(lián)劑包括聚合物納米纖維和聚乙烯醇，獲得具備超強(qiáng)彈性結(jié)構(gòu)的石墨烯基氣凝膠。但是，聚合物作為交聯(lián)劑引入氣凝膠結(jié)構(gòu)中，仍有若干問(wèn)題亟待解決，首先聚合物的大量引入會(huì)顯著增加得到石墨烯氣凝膠的密度；其次，由于聚合物的熱不穩(wěn)定性，聚合物交聯(lián)的石墨烯氣凝膠無(wú)法高溫?zé)崽幚恚虼双@得石墨烯復(fù)合氣凝膠導(dǎo)電性能不佳；此外，作為交聯(lián)劑存在聚合物一般不導(dǎo)電，無(wú)法成為有效的電子傳輸通道，會(huì)進(jìn)一步減弱石墨烯氣凝膠的導(dǎo)電性能。

綜上所述，如何構(gòu)建一種超輕、超強(qiáng)彈性和高導(dǎo)電的全碳石墨烯氣凝膠仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，也是本領(lǐng)域科技工作者研究的重要課題之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)目的是針對(duì)上述石墨烯氣凝膠構(gòu)建方法中的關(guān)鍵難題，提供一種超輕、超強(qiáng)彈性、高導(dǎo)電全碳石墨烯氣凝膠及其制備方法，該方法制備的全碳石墨烯氣凝膠在可穿戴設(shè)備和油水分離領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種全碳石墨烯氣凝膠的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

老化氧化石墨烯分散液的獲得：調(diào)節(jié)氧化石墨烯水溶液的pH至堿性，優(yōu)選pH為9-12；并加熱回流，利用高速離心分離得到下層黑色粘稠底物；隨后將所述下層黑色粘稠底物進(jìn)行酸化處理并加熱回流，降溫后利用高速離心分離和水洗獲得濃度為2mg/mL～10mg/mL的老化氧化石墨烯分散液；

混合溶液的獲得：將得到的老化氧化石墨烯分散液與同等濃度的聚合物水溶液均勻混合，再加入戊二醛后加熱交聯(lián)，得到混合溶液；所述老化氧化石墨烯與聚合物水溶液中的聚合物的質(zhì)量比為1:5～5:1；

石墨烯復(fù)合水凝膠的獲得：將所得到的混合溶液置于模具中，再將模具放入液氮中進(jìn)行定向冷凍使安全冷凍，優(yōu)選冷凍20-40分鐘，隨后室溫解凍后，加入化學(xué)還原劑加熱還原，得到石墨烯復(fù)合水凝膠；

全碳石墨烯氣凝膠的獲得：將所述的石墨烯復(fù)合水凝膠進(jìn)行水洗和干燥，并在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚罱K得到全碳石墨烯氣凝膠。

進(jìn)一步，所述老化氧化石墨烯分散液的獲得步驟中，所述氧化石墨烯水溶液中的氧化石墨烯通過(guò)Hummers法，改良的Hummers法，Brodie法以及Staudenmaier方法制備得到；

任選的，所述氧化石墨烯水溶液的濃度為2mg/mL～10mg/mL。