CN104925787A - 一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法，该方法首先以氧化石墨烯的水分散液为原料制备得到水凝胶，再通过冷冻融化处理，使其内部结构重新组装，所形成的结构足以抵御常压干燥过程中气液界面张力引起的结构坍塌，最后实现常压干燥制备石墨烯气凝胶。与冷冻干燥和超临界干燥方法相比，本发明极大地提高了石墨烯气凝胶的制备效率，降低了生产成本，有望实现石墨烯气凝胶的工业化生产。另外，本发明提供了一种新的石墨烯气凝胶，其大孔和超回弹的特性将会在许多领域得到应用。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法，属于气凝胶制备技术领域。
【背景技术】
气凝胶(Aerogel)又称为干凝胶，是具有极低密度、高比表面积、极高孔洞率与超高孔体积率的多分枝纳米多孔三维网络结构的纳米材料，其空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状。碳气凝胶的出现是气凝胶材料研究中具有开创性的进展，它将气凝胶材料从电的不良导体扩展到了导电体，开创了气凝胶材料新的应用领域。
石墨烯(Graphene)是由sp2杂化碳原子组成的，呈周期蜂窝点阵结构，具有良好的导电、导热、力学等物理性能。石墨烯的厚度仅为0.34纳米左右，而其二维尺寸从几十纳米到几十微米不等，因此可以通过一定的方法组装成为多孔、超轻的石墨烯气凝胶。不同的制备方法决定了石墨烯气凝胶不同的内部网络结构，也赋予了其不同的性能，例如高强度的脆性气凝胶和柔软的弹性气凝胶。石墨烯气凝胶具有超轻、多孔、导电、疏水亲油和灵活的机械性能等特性，可以在催化剂载体、导电器件、油污处理和能量缓冲等领域得到应用。
石墨烯可以由石墨通过氧化法首先得到氧化石墨烯(Oxidegraphene)，然后再通过化学或热的方法还原得到。氧化石墨烯表面具有丰富的含氧基团，可以在水中稳定分散。因此石墨烯气凝胶的制备通常都是以氧化石墨烯为原料首先制备得到氧化石墨烯分散液或石墨烯湿凝胶，然后再通过冷冻干燥或超临界干燥除掉溶剂得到。例如，中国专利CN102239114A首次使用氧化石墨烯的分散液或湿凝胶通过冷冻干燥或超临界干燥制备了氧化石墨烯和石墨烯气凝胶。
CN101941693A中首次使用还原剂将氧化石墨烯水分散液还原得到石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥制备气凝胶。人们之所以不使用常压下干燥的方法主要是因为石墨烯片层组装的孔洞较小，毛细管作用明显，气体蒸发过程中气液界面张力容易使孔洞结构坍塌，干燥之后收缩明显；而冷冻干燥和超临界干燥可以避免这一点，因此可以很好地保持气凝胶的体积和形状。但是冷冻干燥需要提供低温和低压的环境，超临界需要提供高压的环境，而且都需要特殊的设备，成本高，并且生产效率低，不能够大批量地制备，因此制约了石墨烯气凝胶的广泛应用。专利CN102774824A中提供了一种常压干燥制备石墨烯交联型有机气凝胶及炭气凝胶的方法，说明了常压干燥制备气凝胶的重要意义。但是该专利中石墨烯只是作为交联剂，并不是气凝胶的主体材料，性能与石墨烯气凝胶差别较大。因此使用常压干燥法制备全石墨烯的气凝胶具有非常重要的实际意义。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
本发明的目的在于提供一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法；
本发明的目的还在于提供一种将该方法用于石墨烯气凝胶制备的用途。
[技术方案]
如前所述，现有技术的石墨烯气凝胶的制备工艺中都需要特殊的设备，成本高，并且生产效率低，不能够大批量地制备，因此制约了石墨烯气凝胶的广泛应用。只有采用常压干燥制备石墨烯气凝胶才能从根本上简化石墨烯气凝胶的生产工艺，降低成本，实现工业化生产。但是常压条件下干燥时，由于气液界面产生的张力，凝胶网络结构容易产生坍塌、收缩等现象。但是当石墨烯片层组装搭建的三维网络孔洞足够大、孔壁足够厚时，就能够抵御这种张力，绝大部分地保持水凝胶时的体积和形状，得到常压干燥的石墨烯气凝胶。本发明的技术方案提供了一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法，该方法以氧化石墨烯的水分散液为反应体系，加入还原剂或者交联剂或者使用高压水热法，还原氧化石墨烯的水分散液，并且可以通过控制预还原反应的时间和温度来控制氧化石墨烯的还原程度，首先制备得到预还原的氧化石墨烯水凝胶，然后通过将水凝胶冷冻再融化的方法使石墨烯三维网络结构重新组装，得到可以抵御常压干燥过程中气液界面所产生张力的结构，再进一步还原水凝胶，巩固水凝胶的三维结构，最后实现常压下干燥石墨烯水凝胶，制备几乎不收缩的石墨烯气凝胶。
本发明是通过下述技术方案实现的。
一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法，其特征在于该方法以氧化石墨烯的水分散液为反应体系，通过在该水分散液中加入还原剂或者交联剂，或者采用高压水热法制备预还原氧化石墨烯的水凝胶，预还原程度需要控制在一定范围，可以通过固定反应温度，改变反应时间来实现。然后将该水凝胶在-30至0摄氏度下冷冻后再将其融化，将该冷冻融化过程反复进行一次以上后，再将该水凝胶进一步还原成为石墨烯水凝胶，最后在常压下干燥得到石墨烯气凝胶。
根据本发明的另一种优选实施方式，其中所述的氧化石墨烯的单片层为0.2～50微米，氧化石墨烯水分散液的浓度为0.5～10毫克每毫升。
根据本发明的另一种优选实施方式，其中所述的还原剂为水合肼、维生素C和碘化氢。
根据本发明的另一种优选实施方式，其中所述的交联剂为乙二胺。
根据本发明的另一种优选实施方式，其中干燥方法选自常压下直接加热干燥。
如前所述的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)制备氧化石墨烯水分散液；
(2)在该氧化石墨烯水分散液中通过加入还原剂或者交联剂，或者使用高压水热法制备预还原氧化石墨烯的水凝胶；
(3)将步骤(2)制备的预还原氧化石墨烯的水凝胶在-30至-10摄氏度下冷冻，然后在室温下使其融化，重复冷冻融化步骤1次以上；
(4)将步骤(3)制备的水凝胶进一步还原，还原方法同步骤(2)中的预还原方法，继续加热反应至还原反应结束；
(5)将步骤(4)制备的水凝胶在溶剂中浸泡洗涤2次以上，溶剂选自水、乙醇和丙酮中的一种或多种；
(6)在常压下20-100摄氏度干燥步骤(5)制备得到的水凝胶得到石墨烯气凝胶。
根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于所述的步骤(1)中，氧化石墨烯水分散液的制备方法不限，其中Hummer’s化学法制备氧化石墨是本领域中常用的方法。
根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于所述的步骤(2)中，制备预还原氧化石墨烯水凝胶的方法不限，作为优选，使用加入还原剂或者高压水热的方法。
根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于所述的步骤(2)中，控制预还原氧化石墨烯中的C/O摩尔原子比为3.0到5.0。
根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于所述的步骤(3)中，控制冷冻温度在-20到-15摄氏度，冷冻融化次数控制在1到3次。
根据本发明的另一种优选实施方式，其特征在于所述的步骤(4)中，控制还原后石墨烯中的C/O原子摩尔比为6.0到10.0。
所述的方法在制备石墨烯气凝胶中的应用。
[有益效果]
本发明由于采取上述技术方案，具有以下优点：
1、常压干燥制备石墨烯气凝胶，可以绝大部分保持干燥前的体积和形状，与冷冻干燥和超临界干燥法制备石墨烯气凝胶相比，工艺更简单、成本更低，而且解决了石墨烯气凝胶大批量制备生产的难题，有望实现工业化生产。
2、本发明所制备的石墨烯气凝胶具有非常好的机械性能和导电性能。例如制备的石墨烯气凝胶具有超回弹性，最大压缩比可以达到93％，并且可以很好地回复，为目前压缩比最大的石墨烯气凝胶，压缩回复一千次以上后几乎不产生永久形变。其未压缩时的电导率可以以达到13S m-1。因此本发明所制备的石墨烯气凝胶可以应用到大形变的导电传感器领域。
3、本发明所制备的石墨烯气凝胶具有亲油疏水特性，可以用作吸油除污材料，并且可以循环使用。
4、本发明所制备的石墨烯气凝胶具有超轻的特性，密度范围在1到10mg cm-3。
5、本发明可以制备不同形状的石墨烯气凝胶，满足不同领域的需求。
【附图说明】
图1是本发明所得到的石墨烯水凝胶和常压干燥后气凝胶的实物照片；
图2是本发明所得到的不同形状的石墨烯气凝胶；
图3是本发明所得到的石墨烯气凝胶的扫描电镜图；
图4是本发明所得到的石墨烯气凝胶的压缩回复测试曲线图；
图5是本发明所得到的石墨烯气凝胶具有亲油疏水性能的展示图，其可以通过压缩挤出吸收的油来循环使用；
图6是实施例5和对比例1所制备石墨烯气凝胶的实物照片；
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明进一步描述，应理解的是，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1.
使用325目的鳞片石墨作为原料，通过改进的Hummer’s化学法制备氧化石墨烯，得到10毫克每毫升的氧化石墨烯(GO)溶液，取5毫升GO溶液加入到圆柱形玻璃瓶中，加入5毫升去离子水，将GO溶液浓度配成5毫克每毫升，再取100微升质量分数35％的水合肼溶液，加入到GO溶液中，超声处理5分钟，使水合肼分散均匀，将圆形玻璃瓶加塞密封，放到95摄氏度下反应0.5小时形成凝胶。然后停止反应，待凝胶降到室温后，将该凝胶放到冰箱中冷冻，冰箱的温度大约-18摄氏度，两小时后，待凝胶完全冻住后，将该凝胶拿到室温下，完全融化后，再以相同的条件冷冻融化一次，然后再将水凝胶置于95摄氏度下反应2小时，反应结束后将水凝胶用酒精涮洗两次，最后将水凝胶在烘箱中60摄氏度下干燥24小时得到石墨烯气凝胶。
实施例2.
工艺流程同实施例1，不同的是将GO溶液浓度配成4毫克每毫升，总量10毫升，水合肼加入80微升，反应时间1小时，形成凝胶后，冷冻温度为-30摄氏度。冷冻融化处理完后，再反应1.5小时。
实施例3.
工艺流程同实施例1，不同的是将GO溶液浓度配成3毫克每毫升，总量10毫升，水合肼加入量为90微升。
实施例4.
工艺流程同实施例1，不同的是将325目鳞片石墨换成180目鳞片石墨。
实施例5.
工艺流程同实施例1，不同的是将GO溶液浓度配成4毫克每毫升，总量10毫升，加入80毫克维生素C代替水合肼，超声2分钟维生素C完全溶解，然后反应时间1小时，形成凝胶，冷冻融化处理完后，再反应5小时。
实施例6.
工艺流程同实施例5，不同的是反应时间2小时，形成凝胶，冷冻融化处理完后，再反应4小时。
实施例7.
工艺流程同实施例5，不同的是冷冻温度为-30摄氏度。
实施例8.
工艺流程同实施例1，不同的是将GO溶液浓度配成3毫克每毫升，总量10毫升，加入40微升乙二胺代替水合肼，然后90摄氏度反应8小时，形成凝胶，冷冻融化处理完后，再反应8小时。
实施例9.
工艺流程同实施例8，不同的是加入80微升乙二胺，反应时间12小时，形成凝胶，冷冻温度-30摄氏度，冷冻融化处理完后，再反应4小时。
实施例10.
工艺流程同实施例1，不同的是将GO溶液浓度配成3毫克每毫升，总量10毫升，不加任何还原剂和交联剂，在高压反应釜中180摄氏度下反应2小时，形成凝胶，冷冻溶化处理完后，再反应13小时。
对比例1.
工艺流程同实施例5，不同的是不进行冷冻融化处理这一步，直接反应6小时，然后烘箱干燥。
从图1中可以看出，该发明可以通过常压干燥制备石墨烯气凝胶，并且可以绝大部分保持干燥前的体积和形状。图2说明该发明可以制备不同形状的石墨烯气凝胶。图3展示了该发明所制备的石墨烯气凝胶的形态结构，石墨烯组装的三维孔洞在100到500微米之间，属于比较大的孔，而且石墨烯壁取向排列，可以很好地抵御常压干燥过程中气液界面所产生的张力，绝大部分保持干燥前的体积和形状。图4展示了该专利提供的石墨烯气凝胶具有超弹性，其最大压缩比可以达到93％，是目前石墨烯气凝胶最大的压缩比，压缩回复一千次后几乎不产生永久形变。图5展示了该专利提供的石墨烯气凝胶具有亲油疏水的性能，并且可以通过压缩挤出吸收的油来循环使用。图6作为对比例体现了冷冻融化处理的关键作用。其左图是经过冷冻融化处理这一步所制备的气凝胶实物图，而右图去掉了这一步的对比实施例1，常压干燥过程中出现了严重的收缩现象。
Claims (10)
1.一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法，其特征在于该方法以氧化石墨烯的水分散液为反应体系，通过在该水分散液中加入还原剂或者交联剂，或者采用高压水热法制备预还原氧化石墨烯的水凝胶；然后将该水凝胶在-30至-10摄氏度下冷冻后再在室温下融化，将该冷冻融化过程反复进行一次以上后，将该水凝胶进一步还原成为石墨烯水凝胶，最后在常压下干燥该石墨烯水凝胶得到石墨烯气凝胶。
2.如权利要求1所述的方法，预还原氧化石墨烯的还原程度的控制通过固定反应温度改变反应时间实现。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述的氧化石墨烯的单片层为0.2～50微米，氧化石墨烯水分散液的浓度为0.5～10毫克每毫升。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的还原剂选自水合肼、维生素C和碘化氢中的一种或几种，其中所述的交联剂为乙二胺。
5.如权利要求1所述的方法，其中干燥方法选自常压下直接加热干燥。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)制备氧化石墨烯水分散液；
(2)在该氧化石墨烯水分散液中通过加入还原剂或者交联剂，或者使用高压水热法制备预还原氧化石墨烯的水凝胶；
(3)将步骤(2)制备的预还原氧化石墨烯的水凝胶在-30至-10摄氏度下冷冻，然后在室温下使其融化，重复冷冻融化步骤1次以上；
(4)将步骤(3)制备的水凝胶进一步还原，还原方法同步骤(2)中的预还原方法，继续加热反应至还原反应结束；
(5)将步骤(4)制备的水凝胶在溶剂中浸泡洗涤2次以上，溶剂选自水、乙醇和丙酮中的一种或多种；
(6)在常压下20-100摄氏度干燥步骤(5)制备得到的水凝胶得到石墨烯气凝胶。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述的步骤(2)中，控制预还原氧化石墨烯中的C/O原子摩尔比为3.0到5.0。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述的步骤(3)中，控制冷冻温度在-20到-15摄氏度，冷冻融化次数控制在1到3次。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述的步骤(4)中，控制还原后石墨烯中的C/O原子摩尔比为6.0到10.0。
10.权利要求1所述的方法在制备石墨烯气凝胶中的应用。
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