CN114408911B - 一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法 - Google Patents

一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超快速光‑热响应的石墨烯气凝胶的制备方法，属于光热响应材料领域。本发明要解决传统的碳基光热材料存在响应时间长、稳态温度低的技术问题。本发明的方法如下：步骤一、在搅拌下，将氧化石墨烯海绵和酸化碳纳米管依次加入去离子水中，均匀分散，在加入硫酸锂，自加入硫酸锂之后发生液相自组装，自组装完毕后快速冻结，再冷冻干燥；步骤二、然后真空干燥，惰性气体保护下恒温煅烧，得到所述石墨烯基气凝胶。本发明制备得到的气凝胶具有超快的光热响应，高的稳态温度的优势使得其有望实现在多个领域的潜在运用。

Description

一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于光热响应材料领域，具体地说，涉及一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法。
背景技术
随着煤、石油、天然气等不可再生能源的日益枯竭，太阳能的开发和利用已成为各国可持续发展战略的重要内容。光热转换是有效利用太阳能的重要方式之一，并且能将太阳能的应用范围有效扩展至光热治疗、水体环境净化、海水淡化以及催化等重要研究和应用领域。因此，寻找并开发出高效光热转换材料得到了科学家的广泛的研究。
光热材料通过将太阳能转换为热能，具体而言，材料中的电子与入射的光子发生相互作用，通过离子激元共振或能级跃迁两种方式实现对光子能量的吸收，进而产生激发态的热电子。处于激发态的热电子，通过二次辐射或振动弛豫，实现能量的转移和再分配向热平衡态发展。材料中的电子吸收光子进入激发态到恢复热平衡的过程，宏观上，表现为热能(温度)的产生和扩散，受光热材料的物性、结构和尺寸等因素的影响。目前，研究的光热材料体系主要包括：等离子体金属材料、碳基材料和半导体材料。在这些光热材料中，等离子体金属纳米颗粒虽然具有比较好的光热转换能力，但其成本较高，储量有限和稳定性需要进一步提高；而对于半导体材料而言，光吸收能力较弱且材料不稳定；而对于碳材料来说，其具有优异的光吸收能力，导热性和物理化学稳定性。其中，石墨烯基光热材料能级中存在着束缚较弱的π电子，电子受到激发后，将从基态(占据最高的分子轨道，HOMO)提升到能量更高的轨道(最低未占据分子轨道，LUMO)。当受激电子通过弛豫回到其基态时将会释放热量，使得其具有良好的宽带光吸收能力及光热转换能力，引起了科学家极大关注。但是，石墨烯基材料存在响应时间长，稳态温度低的问题，这两者极大的限制了碳基光热材料的进一步开发与利用。
发明内容
本发明要解决传统的碳基光热材料存在响应时间长、稳态温度低的技术问题，从而极大的限制了碳基光热材料的在相关领域的应用；本发明提供一种三维高度定向排列的径向中心对称的石墨烯基气凝胶的制备方法。本发明方法制得的气凝胶具有超快的光热响应，高的稳态温度。
本发明方法得到的一种具有高度定向排列，径向中心对称结构的石墨烯基气凝胶，制得的气凝胶具有超快的光热响应，高的稳态温度。在光照条件下，本发明方法得到的具有特殊结构的石墨烯基气凝胶材料能迅速吸收光子能量，发生π-π*跃迁，受激发的电子以电子-声子耦合弛豫，转移为晶格振动。在高度定向阵列结构中，电偶极子的进一步集体宏观排列，加速提升材料表面温度达到稳态。因此，本发明制备得到的气凝胶具有超快的光热响应，高的稳态温度的优势使得其有望实现在多个领域的潜在运用。
为了实现上述技术问题，本发明采取了以下的技术方案：
本发明的目的在于提供一种三维高度定向排列的径向中心对称的石墨烯基气凝胶的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、在搅拌下，将氧化石墨烯海绵和酸化碳纳米管依次加入去离子水中，均匀分散，在加入硫酸锂，自加入硫酸锂之后发生液相自组装，自组装完毕后快速冻结，再冷冻干燥；
步骤二、然后真空干燥，惰性气体保护下恒温煅烧，得到所述石墨烯基气凝胶；
其中，步骤一中氧化石墨烯海绵、酸化碳纳米管和硫酸锂的质量比为(20～60)∶(10～40)∶(10～30)。
进一步地限定，步骤一中氧化石墨烯海绵、酸化碳纳米管和硫酸锂的总质量与去离子水的体积比为(0.6～3)g：(10～50)mL。
进一步地限定，步骤一所述氧化石墨烯海绵的制备方法如下：以鳞片石墨、98％(质量)的浓硫酸(H2SO4)、硝酸钠(NaNO3)、高锰酸钾(KMnO4)和30％(质量)的双氧水为原料，采用液相剥离法(Hummers)制备氧化石墨烯，反应结束后离心洗涤至溶液pH＝7，再在-10℃下冷冻干燥，得到氧化石墨烯海绵。
进一步地限定，步骤一中酸化碳纳米管是按下述步骤操作的：向120mL浓硫酸和40mL浓硝酸加入1g碳纳米管中，55℃下磁力搅拌冷凝回流3h，反应结束后，用去离子水洗至pH为7，再冷冻干燥，得到酸化碳纳米管。
进一步地限定，步骤一中利用液氮进行快速冻结。
进一步地限定，步骤一中冷冻干燥是按下述步骤操作的：将冻结好的固体放入冷冻干燥机中，在真空度为0.5Pa～10Pa下，温度为-10℃下，持续冻干50h～90h。
进一步地限定，步骤二中真空干燥是按下述步骤操作的：取出冻干后的材料，放置于真空烘箱中，在真空度为2Pa～10Pa、温度为60℃下恒温处理24h～48h。
进一步地限定，步骤二中恒温煅烧是在管式炉中进行的，保护气为氮气，在100℃～400℃下恒温煅烧2h～4h。
本发明采用的硫酸锂促进自组装形成排列有序的结构；在氧化石墨烯，碳纳米管，硫酸锂同时存在的混合溶液中发生液相自组装后，再通过在具有双向冷源中的液氮快速冻结，冰晶的径向生长不是层状的，形状不规则伴随着厚度和粗糙度的变化从而产生高度有序的结构。冰晶在的升华过程被移除，形成这种高度有序的气凝胶结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一方面：特殊的三维多孔的径向与中心对称的石墨烯基气凝胶阵列结构构筑了大量的光陷阱结构，从而实现卓越的光收集，提高了对太阳辐射的有效吸收。另一方面：特殊的高度定向石墨烯基气凝胶结构，在光照条件下，碳材料吸收光子能量，发生π-π*跃迁，受激发的电子以电子-声子耦合弛豫，转移为晶格振动，在三维的高度定向阵列结构中电偶极子的进一步集体宏观排列，能加速提升材料表面温度。
为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考和说明之用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1是实施例1方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度-时间图和红外热成像图，图1中(a)温度-时间图.(b)红外热成像图；
图2是实施例2方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度时间图和红外热成像图，图2中(a)温度-时间图.(b)红外热成像图；
图3是实施例3方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度时间图和红外热成像图，图2中(a)温度-时间图.(b)红外热成像图；
图4是实施例4方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度时间图和红外热成像图，图2中(a)温度-时间图.(b)红外热成像图；
图5是实施例4方法制备得到的三维石墨烯基气凝胶实物图和示意图；
图6是实施例4方法制备得到的三维石墨烯基气凝胶的扫描电子显微镜图；
图7是对比实施例1方法制备得到的产品的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
通过下面的实施例，以便更好地理解本发明。但本发明并不限于具体实施方式描述的内容。
下述实施例采用的氧化石墨烯海绵是通过下述步骤制备的：以鳞片石墨、98％(质量)的浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾和30％(质量)的双氧水为原料，采用液相剥离法制备氧化石墨烯，反应结束后离心洗涤至溶液pH＝7，再在-10℃下冷冻干燥，得到氧化石墨烯海绵。
下述实施例采用的酸化碳纳米管是通过下述步骤制备的：向120mL浓硫酸和40mL浓硝酸加入1g碳纳米管中，55℃下磁力搅拌冷凝回流3h，反应结束后，用去离子水洗至pH为7，再冷冻干燥，得到酸化碳纳米管。
实施例1：本实施例中一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、在搅拌下，将0.6g海绵和0.2g酸化碳纳米管依次加入30mL去离子水中，均匀分散，在加入0.2g硫酸锂，自加入硫酸锂之后发生液相自组装，自组装完毕后利用液氮快速冻结，再将冻结好的固体放入冷冻干燥机中，在真空度为2Pa下，温度为-10℃下，持续冻干60h；
步骤二、然后取出冻干后的材料，放置于真空烘箱中，在真空度为5Pa、温度为60℃下恒温处理24h，然后置于管式炉中，氮气保护下在100℃下恒温煅烧3h，得到所述石墨烯基气凝胶。
在1sun下，进行光热响应测试。本实施例方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度-时间图和红外热成像图如图1所示，由图1a可知表现出的温度响应(40s，59.8℃)和均匀的温度分布(图1b)。
实施例2：本实施例中一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、在搅拌下，将0.6g氧化石墨烯海绵和0.2g酸化碳纳米管依次加入30mL去离子水中，均匀分散，在加入0.2g硫酸锂，自加入硫酸锂之后发生液相自组装，自组装完毕后利用液氮快速冻结，再将冻结好的固体放入冷冻干燥机中，在真空度为2Pa下，温度为-10℃下，持续冻干60h；
步骤二、然后取出冻干后的材料，放置于真空烘箱中，在真空度为5Pa、温度为60℃下恒温处理24h，然后置于管式炉中，氮气保护下在200℃下恒温煅烧3h，得到所述石墨烯基气凝胶。
在1sun下，进行光热响应测试。本实施例方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度-时间图和红外热成像图如图2所示，由图2a可知表现出的温度响应(40s，66℃)和均匀的温度分布(图2b)。
实施例3：本实施例中一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、在搅拌下，将0.6g氧化石墨烯海绵和0.2g酸化碳纳米管依次加入30mL去离子水中，均匀分散，在加入0.2g硫酸锂，自加入硫酸锂之后发生液相自组装，自组装完毕后利用液氮快速冻结，再将冻结好的固体放入冷冻干燥机中，在真空度为2Pa下，温度为-10℃下，持续冻干60h；
步骤二、然后取出冻干后的材料，放置于真空烘箱中，在真空度为5Pa、温度为60℃下恒温处理24h，然后置于管式炉中，氮气保护下在300℃下恒温煅烧3h，得到所述石墨烯基气凝胶。
在1sun下，进行光热响应测试。本实施例方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度-时间图和红外热成像图如图1所示，由图3a可知表现出的温度响应(25s，76.1℃)和均匀的温度分布(图3b)。
实施例4：本实施例中一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、在搅拌下，将0.6g氧化石墨烯海绵和0.2g酸化碳纳米管依次加入30mL去离子水中，均匀分散，在加入0.2g硫酸锂，自加入硫酸锂之后发生液相自组装，自组装完毕后利用液氮快速冻结，再将冻结好的固体放入冷冻干燥机中，在真空度为2Pa下，温度为-10℃下，持续冻干60h；
步骤二、然后取出冻干后的材料，放置于真空烘箱中，在真空度为5Pa、温度为60℃下恒温处理24h，然后置于管式炉中，氮气保护下在400℃下恒温煅烧3h，得到所述石墨烯基气凝胶。
在1sun下，进行光热响应测试。本实施例方法制备得到的石墨烯基气凝胶的温度-时间图和红外热成像图如图1所示，由图4a可知表现出的温度响应(8s，91.5℃)和均匀的温度分布(图4b)。
表1不同光热材料的性能比较
Figure BDA0003473489100000051
表1对比可知，本实施例制备得到石墨烯基气凝胶具有高效的光热转换能力和稳态温度，且石墨烯气凝胶的实物图和示意图如图5a,b所示；其扫描图如图6所示。
对比实施例1：步骤一、在搅拌下，将0.6g氧化石墨烯海绵和0.2g酸化碳纳米管依次加入30mL去离子水中，均匀分散，利用液氮快速冻结，再将冻结好的固体放入冷冻干燥机中，在真空度为2Pa下，温度为-10℃下，持续冻干60h；
步骤二、然后取出冻干后的材料，放置于真空烘箱中，在真空度为5Pa、温度为60℃下恒温处理24h，然后置于管式炉中，氮气保护下在400℃下恒温煅烧3h，得到所述石墨烯基气凝胶。其扫描图如图7所示，不能形成高度定向的阵列结构。

Claims (1)

1.一种具有超快速光-热响应的石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、在搅拌下，将0.6g氧化石墨烯海绵和0.2g酸化碳纳米管依次加入30mL去离子水中，均匀分散，在加入0.2g硫酸锂，自加入硫酸锂之后发生液相自组装，自组装完毕后利用液氮快速冻结，再将冻结好的固体放入冷冻干燥机中，在真空度为2 Pa下，温度为-10 ℃下，持续冻干60 h；
步骤二、然后取出冻干后的材料，放置于真空烘箱中，在真空度为5 Pa、温度为60 ℃下恒温处理24 h，然后置于管式炉中，氮气保护下在400 ℃下恒温煅烧3 h，得到所述石墨烯基气凝胶。
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CN111252760B (zh) * 2020-01-22 2021-01-05 哈尔滨工业大学 一种氧化石墨烯纳米卷及其复合材料的制备方法
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