[發明專利]一種纖維素/氧化石墨烯復合氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請號: 202110458491.4
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113145031B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 楚增勇;李國臣;鞏曉鳳;張冶;蔣振華;王璟;胡天嬌;肖民;趙振凱;董其超
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/36;C02F101/38
• 代理公司: 長沙大勝專利代理事務所(普通合伙) 43248
• 代理人: 陸僖

一種纖維素/氧化石墨烯復合氣凝膠及其制備方法，所述復合氣凝膠是由纖維素和氧化石墨烯以質量比1:0.1～5.0均勻復合的多孔材料。所述制備方法為：（1）將纖維素和氧化石墨烯混合后，加入水中，液下攪拌升溫后，加熱液下攪拌超聲處理；（2）加熱機械攪拌發泡后，密封升溫，調整壓力；（3）倒入模具中，液氮冷卻后，冷凍干燥，得纖維素/氧化石墨烯復合氣凝膠。本發明復合氣凝膠的原料易獲取，結構孔隙分布均勻，可在0.1～500μm內調控，比表面積可達10～650m²/g，可壓縮40～90%，密度為0.01～3.00g/cm³，吸附性好，應用廣泛；本發明方法簡單，可重復性高，經濟環保，適于大規模工業化生產。

技術領域

本發明涉及一種氣凝膠及其制備方法，具體涉及一種纖維素/氧化石墨烯復合氣凝膠及其制備方法。

背景技術

石墨烯具有碳原子之間以sp²雜化方式結合在一起的二維平面上的蜂窩網狀結構，由于其獨特的結構，石墨烯材料具有超高的比表面積、載流子遷移率和熱導率，因此，在傳感、吸附、能源等方面都具有極大的應用潛力。石墨烯材料的性質往往取決于其二維片層的排列方式，石墨烯固有的大π鍵共軛結構使其傾向于堆疊，這有助于制備高強度的纖維和薄膜結構，但要做成吸附、催化和超級電容器等，往往需要極高的比表面積，這就希望使得石墨烯的片層之間相互分離，成為立體三維結構。

石墨烯氣凝膠的結構多種多樣，以基于氧化石墨烯的組裝方式比較常見，能夠大規模，而且以相對較低的成本制備，目前主要的方法有水熱法和模板法。

（1）水熱合成法步驟簡單，在氧化石墨烯溶液中加入少許還原劑，比如尿素、抗壞血酸等，在90～180℃下水熱處理，冷凍干燥后即可獲得氣凝膠結構（ACS Applied NanoMaterials, 2019, 2(3):1210-1222.）。同時，在其中添加BN、碳納米管、石墨烯納米片等來防止GO片層堆疊和收縮（Carbon, 2018）。但是，該方法制備的氣凝膠雖然彈性較高，但密度也高，而且難以控制。

（2）比如使用多孔泡沫鎳或者Ni(OH)₂片層作為硬模板的模板法，是在其表面組裝氧化石墨烯后再通過酸浸等方式除去模板（Journal of Materials Chemistry A, 2019），這種方法制備的氧化石墨烯氣凝膠具有極高的比表面積，一般可用作超級電容器等器件的制備，但是，由于模板法制備的氧化石墨烯氣凝膠往往取決于模板的結構，難以調控，而且模板去除比較繁瑣。

纖維素/石墨烯氣凝膠目前主要是基于生物產生的細菌纖維素膜，在膜上修飾石墨烯來進一步調控其性能。但是，由于其與硬模板法比較相近，因此，只能依靠原有結構構筑三維形貌。

CN110227423A公開了一種氧化石墨烯與纖維素復合氣凝膠及其制備方法和用途，是將氧化石墨烯、還原劑和纖維素混合，再加入發泡劑產生氣泡孔洞，升溫進行還原反應后，洗滌、冷凍融化、干燥。但是，該方法所得氣凝膠中氣泡孔徑不可調，且步驟繁瑣，制得的氣凝膠彈性差。

CN109019597A公開了一種纖維素/氧化石墨烯碳氣凝膠的制備方法及其應用，是將亞麻漿加入到預冷的氫氧化鈉/尿素水溶液中，得到均勻的纖維素溶液，再加入氧化石墨烯混勻后，加熱使其凝膠化，凍干后，進行真空環境下的高溫碳化處理，得到纖維素/氧化石墨烯碳氣凝膠，可以用作電極材料和吸附材料。但是，該氣凝膠的力學性能差，比表面積小，難以擴展應用。

CN110790974A一種應用于氣體檢測領域的纖維素-石墨烯氣凝膠材料及其制備方法，是將棉短纖纖維素溶解在氫氧化鈉和尿素的水溶液中，加入氧化石墨烯水溶液后，流延成膜，經維生素C還原之后，進行冷凍干燥，可用于檢測不同的氣體。但是，該氣凝膠的比表面積小，均一性差，沒有可調控的孔徑。