CN104250005A - 一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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本发明公开了一种石墨烯气凝胶及其制备方法。该方法包括：(1)将氧化石墨烯分散液与胺类水溶性化合物均匀混合得到氧化石墨烯混合液；胺类水溶性化合物为二乙胺、乙二胺、丙二胺、丁二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、聚烯丙基胺、N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺中的一种或多种；(2)将氧化石墨烯混合液在无氧条件下用高能射线照射进行辐照反应得到氨基修饰石墨烯水凝胶；(3)冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥即得石墨烯气凝胶。本发明的石墨烯气凝胶为多孔且大孔结构，结构较均匀，可用于有机溶剂的吸附，且制备方法简单，绿色环保。

Description

一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
石墨烯(Graphene)是具有真正的单原子层厚度和严格的二维结构，具有很高的机械强度，弹性，导热性，导电性，以及量子霍尔效应等，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。自从2010年英国科学家安德列杰姆和克斯特亚诺沃塞诺发现石墨烯而获得诺贝尔奖以来，石墨烯研究达到前所未有的研究高潮，越来越多的研究发现，其在能量储存，电学器件，催化及环境科学的特殊领域具有巨大的应用前景。
从实际应用角度考虑，将纳米石墨烯材料转变为宏观结构材料中无疑是非常有价值的研究方向。已经有大量的研究针对宏观石墨烯结构材料的研究和制备，尤其是宏观三维石墨烯基块体凝胶材料的制备研究。目前高碳和全碳的气凝胶主要有以下几种：纯碳纳米管气凝胶(Cao AY,et al.Science,2005,310,1307-1310)、填充高分子的碳纳米管气凝胶(Mateusz,B.B.,et al.Adv.Mater.,2007,19,661-664)、填充高分子的石墨烯气凝胶(Chen,ZP,et al.Nature materials,2011,310,1307-1310)，填充碳纳米管的石墨烯复合气凝胶(Sun HY,et al.Adv.Mater.,2013,25,2554-2560)。纯碳纳米管气凝胶成本高，难以规模化生产；以纯石墨烯或氧化石墨烯为原料，通常需填充高分子或通过高温化学还原来实现宏观气凝胶的制备，其制备过程比较复杂，反应条件为高温高压，对反应容器要求苛刻。
高能射线辐照，是一种高效率、低成本、低能耗、无污染的方法，所述高能射线包括伽马射线或电子束等，目前广泛应用于高分子合成与改性，环境污染物辐射降解，医药卫生、食品加工等领域，在石墨烯气凝胶制备方面尚未报道。因此，将高能射线辐照应用于制备石墨烯气凝胶的方法有待开发，其对石墨烯的应用研究及市场化生产具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于为了克服现有技术中石墨烯气凝胶的制备方法温度高、工艺复杂的缺陷，提供了一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。本发明采用辐照法制备石墨烯气凝胶，目前尚无报道，该制备方法操作简单，绿色环保；且利用本发明的制备方法制得的石墨烯气凝胶为多孔且大孔结构，结构较均匀，可用于有机溶剂的吸附，具有重大的应用价值。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供了一种石墨烯气凝胶的制备方法，其包括下述步骤：
(1)将氧化石墨烯分散液与胺类水溶性化合物均匀混合得到氧化石墨烯混合液；所述的胺类水溶性化合物为二乙胺、乙二胺、丙二胺、丁二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、聚烯丙基胺、N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺中的一种或多种；
(2)将所述氧化石墨烯混合液在无氧条件下用高能射线照射进行辐照反应得到氨基修饰石墨烯水凝胶；
(3)将步骤(2)所得氨基修饰石墨烯水凝胶进行冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥，得到石墨烯气凝胶。
步骤(1)中，所述的氧化石墨烯分散液可为本领域常规方法制得的氧化石墨烯分散液，较佳地为采用氧化剥离石墨法(即Hummers法)制得的氧化石墨烯分散液，更佳地通过下述步骤制得：①预氧化：将石墨、浓硫酸和硝酸倒入水中，过滤，烘干；重复上述预氧化过程2～3次，得到预氧化石墨；②热膨胀：将步骤①的预氧化石墨在400～900℃条件下热膨胀10～30s，得到热膨胀氧化石墨；③将步骤②的热膨胀氧化石墨与浓硫酸、K2S2O8和五氧化二磷的混合物在80℃下加热，加入水过滤洗涤，干燥，得到预氧化热膨胀石墨；④将步骤③的预氧化热膨胀石墨与浓硫酸在0～5℃条件下混合，加入高锰酸钾，反应，再加入双氧水，静置，离心洗涤，加入水搅拌即得氧化石墨烯分散液。
步骤(1)中，所述的氧化石墨烯分散液的用量较佳地为1～10mg/mL。
步骤(1)中，所述的氧化石墨烯混合液中所述的氧化石墨烯与所述的胺类水溶性化合物的质量比较佳地为(1:0.5)～(1:400)，更佳地为(1:1)～(1:100)。
步骤(2)中，所述的无氧条件较佳地为通氮气和/或氩气除氧。
步骤(2)中，所述的高能射线较佳地为钴60γ射线或电子束射线。
步骤(2)中，所述的辐照反应为本领域辐照工艺的常规操作，所述的辐照反应的剂量较佳地为5～500kGy，更佳地为20～200kGy；所述的辐照反应的剂量率较佳地为0.1～10kGy/小时。
步骤(3)中，所述的冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥为本领域常规使用的干燥方法。
本发明还提供了一种由上述制备方法所制得的石墨烯气凝胶。
所述石墨烯气凝胶的密度为4～9mg/cm3，属于超轻气凝胶的范围(低于10mg/cm3)，孔径分布在10～100μm之间。
本发明还进一步提供由上述方法制备得到的石墨烯气凝胶在吸附有机溶剂中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明的石墨烯气凝胶，以氧化石墨烯分散液为原料通过一步法辐照还原组装并借助冷冻干燥方法直接得到，辐照还原反应在环境温度下进行，操作简洁。
2、本发明利用的原材料为氧化石墨烯，来源非常广泛，成本低，且利用率较高，所用氧化石墨烯原料反应后完全凝胶成型，凝胶周围水溶液为透明，原料几乎无损失。
3、本发明的石墨烯气凝胶的密度为4～9mg/cm3，属于超轻气凝胶的范围(低于10mg/cm-3)。
4、本发明的石墨烯气凝胶的形状和大小可调，通过采用不同形状和大小的辐照反应器即可得到不同形状和大小的石墨烯气凝胶。
5、本发明的石墨烯气凝胶的密度可调控，通过改变反应物浓度即可得到不同密度的石墨烯气凝胶。
6、本发明的石墨烯气凝胶为多孔且大孔结构，孔径分布在10～100μm之间，较为均匀，可用于有机溶剂的吸附，具有重大的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的宏观石墨烯气凝胶照片。
图2为本发明实施例1中得到的石墨烯气凝胶扫描电镜照片。
图3为本发明实施例2中得到的宏观石墨烯气凝胶照片。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述实施例中，所用石墨由西格玛奥德里奇(Sigma-Aldrich)公司提供，所用石墨为鳞片石墨，平均粒径为500μm，其余原料均由国药集团化学试剂有限公司提供。
实施例1
(1)利用改进的氧化剥离石墨法制备氧化石墨烯分散液：
石墨10g，98％硫酸150ml，硝酸30ml，加入到500ml锥形瓶中室温搅拌24h，慢慢倒入1L水中过滤收集固体，洗涤3次，80℃烘干4小时。重复预氧化过程两次。将干燥后的预氧化石墨放入箱式炉中900℃热膨胀10s得到热膨胀氧化石墨。在500ml广口锥形瓶中将5g热膨胀氧化石墨与300ml硫酸，5g K2S2O8，7g五氧化二磷混合后80℃加热4小时，用2L水稀释，
过滤洗涤，空气中干燥3天得到预氧化热膨胀石墨。将干燥的预氧化热膨胀石墨与200ml硫酸在低温0～5℃下混合，加入20g高锰酸钾，慢慢加入，35℃搅拌1h，加2L水稀释静置1h后加入10ml 30％的双氧水，静置2天，倒掉上清液，离心洗涤，温和搅拌得到分散较好的氧化石墨烯分散液。
(2)将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与乙二胺混合制备得4mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:50。
(3)将步骤(2)得到的氧化石墨烯混合溶液注入圆柱状辐照反应器中，通氮气除氧。
(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为100kGy，在反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。
(5)将步骤(4)所得氨基修饰石墨烯水凝胶进行冷冻干燥，得到干态的石墨烯气凝胶。其宏观形貌照片如图1所示为连续的圆柱状块体结构，其微观多孔形貌如图2所示为石墨烯气凝胶的扫描电子显微镜断面照片，从图中可以看出，其孔为大孔结构，孔径分布在10～100μm之间，较为均匀。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达120g/g(以正十烷为例)。
实施例2
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：
步骤(1)预氧化石墨在400℃条件热膨胀30s得到热膨胀氧化石墨；
步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为50kGy，在细管状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶，经过超临界二氧化碳干燥得到细长棒状石墨烯气凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的细长棒状石墨烯气凝胶摆成了一个“王”字的照片如图3所示。该棒状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达110g/g(以正十烷为例)。
实施例3
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为5kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达112g/g(以正十烷为例)。
实施例4
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为100kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达115g/g(以正十烷为例)。
实施例5
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为200kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达120g/g(以正十烷为例)。
实施例6
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与乙二胺混合制备得1mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:400。步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为500kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达150g/g(以正十烷为例)。
实施例7
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与乙二胺混合制备得3mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:50。步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为50kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达130g/g(以正十烷为例)。
实施例8
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与乙二胺混合制备得5mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:1。步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为50kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达100g/g(以正十烷为例)。
实施例9
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与乙二胺混合制备得10mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:0.5。步骤(4)将封好的辐照反应器用钴60γ射线源辐照，剂量为50kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达90g/g(以正十烷为例)。
实施例10
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与氨基水溶性化合物(丙二胺和二乙烯三胺按照质量比为1:1的混合物)混合制备得3mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:100，其剂量为60kGy。得到的石墨烯气凝胶的氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达135g/g(以正十烷为例)。
实施例11
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与氨基水溶性化合物(二乙胺和四乙烯五胺按照质量比为1:1的混合物)混合制备得2mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:250，其剂量为100kGy。得到的石墨烯气凝胶的氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达140g/g(以正十烷为例)。
实施例12
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与氨基水溶性化合物(聚烯丙基胺和乙二胺按照质量比为1:2的混合物)混合制备得5mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:300，其剂量为400kGy。得到的石墨烯气凝胶的氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达98g/g(以正十烷为例)。
实施例13
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与氨基水溶性化合物(丁二胺和N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺按照质量比为0.5:1的混合物)混合制备得3mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:50，其剂量为100kGy。得到的石墨烯气凝胶的氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该圆柱状石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量达120g/g(以正十烷为例)。
实施例14
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将步骤(1)制得的氧化石墨烯分散液与氨基水溶性化合物(聚烯丙基胺和三乙烯四胺按照质量比为1:2的混合物)混合制备得4mg/ml氧化石墨烯混合溶液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:50。步骤(4)将封好的辐照反应器用电子束射线源辐照，剂量为500kGy，在圆柱状反应器中形成氨基修饰石墨烯水凝胶。其氮元素含量、碳氧比和密度如表1中所示。得到的石墨烯气凝胶的照片与实施例1类似。该石墨烯气凝胶具有良好的吸油性能，吸附容量可达100g/g(以正十烷为例)。
对比例1
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将纯净的氧化石墨烯分散液与胺类水溶性化合物水合肼(NH2-NH2(H2O))混合制备的氧化石墨烯混合液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:100。其结果得到的是沉淀在管内的石墨烯颗粒，得不到连续的湿态石墨烯水凝胶，同样也得不到连续的干态石墨烯气凝胶，不具有良好吸油性能。其产物的氮元素含量和碳氧比如表1中所示。
对比例2
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将纯净的6mg/ml氧化石墨烯分散液装入辐照管中进行辐照。其结果是得不到连续的石墨烯水凝胶，也得不到连续的干态石墨烯气凝胶，不具有良好吸油性能。其产物的氮元素含量和碳氧比如表1中所示。
对比例3
重复实施例1，除有以下不同点外，其他条件均相同：将纯净的2mg/ml氧化石墨烯分散液与胺类水溶性化合物丙二胺混合制备的氧化石墨烯混合液，其中氧化石墨烯与胺类水溶性化合物的质量比为1:100。装入辐照管中静置12小时不进行辐照。其结果是得不到连续的石墨烯水凝胶，不具有良好吸油性能，也得不到连续的干态石墨烯气凝胶。其产物的氮元素含量和碳氧比如表1中所示。
效果实施例
测定实施例1～13所得石墨烯气凝胶和对比例1～3所得产物的氮元素含量、碳氧比、气凝胶密度和吸油性能数据。其中，氮元素含量、碳元素含量和氧元素含量通过X射线光电子能谱XPS得到，碳氧比是根据碳元素含量和氧元素含量比值得到；气凝胶密度根据本领域常规手段测试，由质量与体积比得到；吸油性能根据本领域常规手段测试，其数值由吸油质量与气凝胶质量比得到，测试结果见表1。
表1 实施例1～13所得石墨烯气凝胶和对比例1～3所得产物的氮元素含量、碳氧比、气凝胶密度和吸油性能数据

Claims (10)

1.一种石墨烯气凝胶的制备方法，其包括下述步骤：
(1)将氧化石墨烯分散液与胺类水溶性化合物均匀混合得到氧化石墨烯混合液；所述的胺类水溶性化合物为二乙胺、乙二胺、丙二胺、丁二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、聚烯丙基胺、N,N'-二(2-氨乙基)-1,3-丙二胺中的一种或多种；
(2)将所述氧化石墨烯混合液在无氧条件下用高能射线照射进行辐照反应得到氨基修饰石墨烯水凝胶；
(3)将步骤(2)所得氨基修饰石墨烯水凝胶进行冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥，得到石墨烯气凝胶。
2.如权利要求1所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的氧化石墨烯分散液为采用氧化剥离石墨法制得的氧化石墨烯分散液。
3.如权利要求2所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的氧化石墨烯分散液通过下述步骤制得：①预氧化：将石墨、浓硫酸和硝酸倒入水中，过滤，烘干；重复上述预氧化过程2～3次，得到预氧化石墨；②热膨胀：将步骤①的预氧化石墨在400～900℃条件下热膨胀10～30s，得到热膨胀氧化石墨；③将步骤②的热膨胀氧化石墨与浓硫酸、K2S2O8和五氧化二磷的混合物在80℃下加热，加入水过滤洗涤，干燥，得到预氧化热膨胀石墨；④将步骤③的预氧化热膨胀石墨与浓硫酸在0～5℃条件下混合，加入高锰酸钾，反应，再加入双氧水，静置，离心洗涤，加入水搅拌即得氧化石墨烯分散液。
4.如权利要求1所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的氧化石墨烯分散液的用量为1～10mg/mL。
5.如权利要求1所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的氧化石墨烯混合液中所述的氧化石墨烯与所述的胺类水溶性化合物的质量比为(1:0.5)～(1:400)。
6.如权利要求5所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的氧化石墨烯混合液中所述的氧化石墨烯与所述的胺类水溶性化合物的质量比为(1:1)～(1:100)。
7.如权利要求1所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的无氧条件为通氮气和/或氩气除氧；
和/或，步骤(2)中，所述的高能射线为钴60γ射线或电子束射线；
和/或，步骤(2)中，所述的辐照反应的剂量为5～500kGy，较佳地为20～200kGy；所述的辐照反应的剂量率为0.1～10kGy/小时。
8.如权利要求1～7中任意一项所述的制备方法得到的石墨烯气凝胶。
9.如权利要求8所述的石墨烯气凝胶，其特征在于：所述的石墨烯气凝胶的密度为4～9mg/cm3，孔径分布在10～100μm之间。
10.如权利要求8或9所述的石墨烯气凝胶在吸附有机溶剂中的应用。
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