[發明專利]一種高導電、高彈性三維石墨烯材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010197326.3
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN113493199B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 黃富強;錢佳豪;畢輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B32/196
• 分類號: C01B32/196;C01B32/184
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種高導電、高彈性三維石墨烯材料的制備方法，包括：（1）通過水熱還原法制備得到三維石墨烯材料；（2）將金屬鋁粉和三維石墨烯材料分別置于雙區真空爐的低溫區和高溫區，通入一定量的水蒸氣后同時升溫，設置低溫區的溫度為150～300℃以及高溫區的溫度為700～900℃，共同保溫2～6小時后，得到所述高導電、高彈性的三維石墨烯材料。

技術領域

本發明涉及一種高導電、高彈性的三維石墨烯材料的制備方法，屬于三維石墨烯領域。

背景技術

由于石墨烯具有優異的電子和機械特性，將二維石墨烯納米片組裝成三維結構近年來引起了廣泛關注。三維石墨烯結構結合了石墨烯優異的固有特性和三維多孔結構，為石墨烯材料提供了優異的力學性能和快速的電子輸運。宏觀三維石墨烯材料具有優異的力學和電學性能，在電子、催化器件、傳感器和吸附材料等領域引起了廣泛的興趣，發展超低溫、超彈性、強機械柔韌性、導電性優良的三維石墨烯的低溫簡易合成方法，仍然是一個巨大的挑戰。

通過氧化石墨烯的自組裝，可以通過多種還原方法制備出宏觀三維石墨烯材料，由于可以用廉價的石墨粉通過Hummers的方法大量合成，因而成為石墨烯基材料批量生產的一種有前途的候選材料。氧化還原過程可以促進柔性石墨烯納米片之間π-π堆疊相互作用的三維結構自組裝由石墨烯納米片組裝而成的宏觀三維多孔石墨烯材料具有強機械強度、高度交聯的多孔結構、可逆形變、可調諧電子輸運和許多其它優異的性質。這也促進了三維多孔石墨烯材料在傳感器、能量儲存和轉換、催化和環境吸附劑等方面的實際應用。然而，兼具超輕、可逆壓縮彈性、強機械強度和高導電特性這幾個特點的三維多孔石墨烯材料的制備仍然面臨著巨大的挑戰。

在氧化石墨烯的還原方法中，使用還原劑和交聯劑在中高溫(90—200℃)和壓力下對GO進行水熱化學還原被認為是制備三維石墨烯整體的最常用和最通用的方法。例如以乙二胺為化學還原劑構建三維石墨烯結構，乙二胺的環氧基在氧化石墨烯表面上發生親核開環反應，發生了有效的自組裝^[1]，但其力學性能不足：屈服應力為5.9kPa，最大可逆彈性應變為80％。還有種方法包括羥基、含氧或氮官能團的交聯劑可以通過帶有氧化石墨烯納米片的長聚合物鏈形成許多氫鍵。例如，聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚(環氧乙烷)被用于與氧化石墨烯納米片形成大量氫鍵，并且提供了與兩個或更多氧化石墨烯納米片的相互作用^[2],[3]。此外，大量廣泛使用的還原交聯劑如硼氫化鈉、硫化鈉、碘化氫、水合肼、對苯二酚等都是有毒有害的。高溫高壓的實驗條件不僅需要昂貴的設備和能源，而且不適合大規模制造。同時，還存在一個存在的問題，即氧化石墨烯的水熱化學還原只能部分地去除含氧基團。碳氧摩爾比與氧化石墨烯的還原和共軛程度密切相關，在宏觀上對三維石墨烯材料的力學和電學性能有重要影響。因此，我們一直致力于優化環保型還原劑，并開發出一種更簡便、更有效的三維石墨烯材料的還原解決方案。為了制備超輕，高彈性，高導電性的三維多孔石墨烯，為在環境保護和儲能等方面進一步應用提供了思路。

在高還原度氬氣和氫氣氛圍下的熱還原方法也是用于還原氧化石墨烯最常用和有效的方法之一。這種熱退火還原方法主要是通過含氧官能團的分解來實現的，其中大部分隨著溫度的升高而被去除。因此，石墨烯的共軛結構可以得到很大的恢復。一般來說，退火溫度越高，碳氧比越高。值得注意的是，高的碳氧比保證了三維石墨烯材料具有良好的電或熱傳輸性能。然而，一些基于柔性襯底的三維石墨烯材料需要優良的電學和機械性能，必須在低溫下進行處理。另外，在熱退火過程中，其它類型的三維石墨烯材料在高溫下會破壞一些三維宏觀結構。因此，開發低溫超彈性、超彈性、強機械柔韌性、電性優異的三維石墨烯材料的大規模低溫合成方法是一個不斷發展的要求。

參考文獻