CN105964193B - 一种氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化石墨烯‑氧化铝复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：取氧化石墨烯，加入到分散溶剂中，在超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；取溶液，用稀氨水和稀盐酸调节溶液的pH，再加入六水合氯化铝，进行反应；待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，然后将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯‑氧化铝气凝胶复合材料。通过本发明的方法制备的超轻的复合材料，拥有丰富的孔道结构，并可充分发挥石墨烯的优良导电性，拥有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及有机-无机氧化物复合气凝胶制备领域，具体是一种氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法。
背景技术
气凝胶是一种以纳米量级超微颗粒相互聚集构成的内部充满气态分散介质的低密度多孔性固体材料，孔隙率可高达98.9％。它是目前发现的，世界上最轻的固体材料，有“固态烟”之称。气凝胶除具有纳米材料的基本性质，还具有高孔隙率、低传热系数、低密度、低导电系数、低折射系数、低声传播速度等诸多优良特性，在隔热耐火材料、催化剂及催化剂载体、消音减震材料、新型高能粒子探测器、气体和水的净化剂、特种玻璃前驱体等方面具有非常广阔的应用前景。其中石墨烯气凝胶具有质量轻、强度高、高比表面积、热稳定性好以及导电率高等优点。三维结构的石墨烯在超级电容器、油吸附材料以及催化剂载体等方面有巨大潜在用途。
氧化铝(Al2O3),工业上俗称铝氧,是一种用量相当大的化学用品。它具有机械强度大、热稳定性好和廉价易得等优点,是一种非常重要的化工原料,因此能够被广泛地应用于结构和功能陶瓷、医药、环保、吸附剂、催化剂和催化剂载体等领域。然而现阶段制备得到的氧化铝易团聚、比表面积小，因此若能找到有效的方法提高氧化铝的分散性，将对氧化铝的吸附催化等性能产生积极的影响，这对提高其工业应用有极大的意义。
发明内容
本发明旨在针对现阶段制备的氧化铝易团聚、比表面积小，层状氧化石墨烯三维块体难成型的问题，提出一种氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，从而得到兼具有氧化铝和氧化石墨烯优势并改善了其固有缺陷的新材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、取氧化石墨烯，加入到分散溶剂中，在超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
步骤二、取步骤一得到的溶液，用稀氨水和稀盐酸调节溶液的pH，再加入六水合氯化铝，进行反应；
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，然后将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料。
进一步的，步骤一中，所述氧化石墨烯由改性Hummer法制备，具体步骤为：按照质量比为2:1取天然鳞片石墨和硝酸钠添加到浓硫酸中，在冰浴条件下搅拌2h，该阶段为预氧化阶段；预氧化完毕后，缓慢加入高锰酸钾，其中，高锰酸钾与天然鳞片石墨的质量比为3：1，并在冰浴条件下继续反应2h，该阶段为低温反应阶段；撤去冰浴，将上述反应物转移至35℃水浴中，继续反应1h，该阶段为中温反应阶段；向上述反应体系中缓慢加入去离子水，随后升温至98℃，并在该温度下反应30min，该阶段为高温反应阶段；高温反应阶段结束后，加入去离子水以及双氧水，并搅拌1h，反应结束；氧化石墨制备完毕后，通过离心洗涤的方式除去其中的杂质离子；洗涤完毕后，将所得到的氧化石墨浆料在60℃条件下进行鼓风干燥，备用。
进一步的，步骤一中，氧化石墨烯与分散溶剂的质量体积比为0.3:100～0.2:50g/mL。
进一步的，步骤一中，分散溶剂为蒸馏水。
进一步的，步骤一中，超声清洗仪的超声功率为180W。
进一步的，步骤一中，低速离心机的转速是4000rpm/min。
进一步的，步骤二中，步骤一所得溶液与六水合氯化铝的体积质量比为50:1.2～50:2.4。
进一步的，步骤二中，溶液的pH调节至1-12。
进一步的，步骤二中，反应温度为50-100℃。
进一步的，步骤二中，反应时间为0.5h-10h。
本发明的有益效果是：本发明提供的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，使用氧化石墨烯进行改性，通过将六水合氯化铝分散于氧化石墨烯溶液中，采用一步水热合成得到产品，氧化铝具有很好的分散性，这种复合材料具有丰富的孔结构，同时具有石墨烯的优异导电性能，可作为催化剂及催化剂载体、吸附材料等，有较高的实际应用价值。
附图说明
图1为是实施例制备的干燥后的复合气凝胶的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
一种氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，以氧化石墨烯为原料超声分散在溶剂中，再加入一定量的六水合氯化铝在设定温度下搅拌回流一定时间，最后用水热法合成得到圆柱状湿凝胶，经过醇洗、水洗后冷冻干燥得到超轻的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶，具体包括如下步骤：
步骤一、取由改性Hummer法制备的氧化石墨烯，加入到分散溶剂中，在180W超声功率的超声清洗仪中超声1h，用低速离心机在转速为1000-8000rpm/min的情况下分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
其中，氧化石墨烯与分散溶剂的质量体积比为0.3:100～0.2:50g/mL。
步骤二、取步骤一得到的溶液，用稀氨水和稀盐酸调节溶液的pH至1-12，再加入六水合氯化铝，于50-100℃反应0.5h-10h；
其中，步骤一所得溶液与六水合氯化铝的体积质量比为50:1.2～50:2.4。
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，然后将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料。
本发明中所使用的氧化石墨烯是采用改性Hummer法制备得到，其制备方法如下：
氧化石墨烯的制备：称取5g天然鳞片石墨和2.5g硝酸钠添加到130ml浓硫酸中，在冰浴条件下搅拌2h，该阶段为预氧化阶段；预氧化完毕后,缓慢加入15g的高锰酸钾，并在冰浴条件下继续反应2h，该阶段为低温反应阶段；撤去冰浴,将上述反应物转移至35℃水浴中，继续反应1h，该阶段为中温反应阶段；向上述反应体系中缓慢加入230mL去离子水，随后升温至98℃，并在该温度下反应30min，该阶段为高温反应阶段；高温反应阶段结束后，加入400ml去离子水以及10ml双氧水，并搅拌1h，反应结束。氧化石墨制备完毕后，通过离心洗涤的方式除去其中的杂质离子，例如钾离子、锰离子以及硫酸根离子。洗涤完毕后，将所得到的氧化石墨浆料在60℃条件下进行鼓风干燥，备用。
实施例1
步骤一、取0.3g氧化石墨，加入到100ml蒸馏水中，在180W超声功率的超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
步骤二、取50ml步骤一中的溶液，用稀氨水调节溶液的pH为7.5，再加入2.4143g六水合氯化铝，在80℃下反应4h；
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料。
实施例2
步骤一、取0.2g氧化石墨，加入到50ml水中，在180W超声功率的超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
步骤二、取50ml步骤一中的溶液，用稀氨水调节溶液的pH为6，再加入1.2072g六水合氯化铝，在100℃下反应5h；
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料。
实施例3
步骤一、取0.25g氧化石墨，加入到75ml蒸馏水中，在180W超声功率的超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
步骤二、取50ml步骤一中的溶液，用稀氨水调节溶液的pH为2，再加入1.8107g六水合氯化铝，在60℃下反应8h；
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料。
实施例4
步骤一、取0.3g氧化石墨，加入到100ml蒸馏水中，在180W超声功率的超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
步骤二、取50ml步骤一中的溶液，用稀氨水调节溶液的pH为6，再加入1.2072g六水合氯化铝，在70℃下反应7h；
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料。
实施例5
步骤一、取0.25g氧化石墨，加入到80ml蒸馏水中，在180W超声功率的超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
步骤二、取50ml步骤一中的溶液，用稀氨水调节溶液的pH为5，再加入1.2072g六水合氯化铝，在90℃下反应3h；
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料。
图1是实施例制备的干燥后的复合气凝胶的扫描电镜图，由图可以看出氧化石墨烯片相互堆积形成三维的网络结构，三维簇状氧化铝均匀分散在氧化石墨烯片上，说明了此种制备方法可有效制备良好分散性的氧化铝。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、取氧化石墨烯，加入到分散溶剂中，在超声清洗仪中超声1h，用低速离心机分离，过滤掉下层的沉淀取上层溶液；
步骤二、取步骤一得到的溶液，用稀氨水和稀盐酸调节溶液的pH，再加入六水合氯化铝，进行反应；
步骤三、待步骤二中反应完毕冷却至室温，磁力搅拌0.5h，然后将混合溶液转入聚四氟水热釜中，在180℃下保持12h，待反应釜降至室温，将圆柱状产物取出，用醇洗、水洗各二到三次，将产物在冷冻干燥机中干燥12h，即得到氧化石墨烯-氧化铝气凝胶复合材料；
步骤一中，所述氧化石墨烯由改性Hummer法制备，具体步骤为：按照质量比为2:1取天然鳞片石墨和硝酸钠添加到浓硫酸中，在冰浴条件下搅拌2h，该阶段为预氧化阶段；预氧化完毕后，缓慢加入高锰酸钾，其中，高锰酸钾与天然鳞片石墨的质量比为3：1，并在冰浴条件下继续反应2h，该阶段为低温反应阶段；撤去冰浴，将上述反应物转移至35℃水浴中，继续反应1h，该阶段为中温反应阶段；向上述反应体系中缓慢加入去离子水，随后升温至98℃，并在该温度下反应30min，该阶段为高温反应阶段；高温反应阶段结束后，加入去离子水以及双氧水，并搅拌1 h，反应结束；氧化石墨制备完毕后，通过离心洗涤的方式除去其中的杂质离子；洗涤完毕后，将所得到的氧化石墨浆料在60℃条件下进行鼓风干燥，备用。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，氧化石墨烯与分散溶剂的质量体积比为0.3:100～0.2:50g/mL。
3.根据权利要求1或2所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，分散溶剂为蒸馏水。
4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，超声清洗仪的超声功率为180 W。
5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤一中，低速离心机的转速是1000-8000rpm/min。
6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤二中，步骤一所得溶液与六水合氯化铝的体积质量比为50:1.2～50:2.4。
7.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤二中，溶液的pH调节至1-12。
8.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤二中，反应温度为50-100℃。
9.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-氧化铝复合气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤二中，反应时间为0.5h-10h。
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