[发明专利]氧化石墨烯水凝胶的固液界面自组装制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯水凝胶的固液界面自组装制备方法及应用，属于氧化石墨烯水凝胶技术。

背景技术

石墨烯以其优异的电子传输性能、热性能、力学性能等正受到广泛的关注，而氧化石墨烯作为石墨烯前躯体，自身拥有一些特殊的性能，虽然它不像石墨烯那样拥有物理学家的广泛关注，但是却得到了化学家们的亲睐。氧化石墨烯基面和边缘上的多种含氧官能团赋予其较高的化学活性，其中羧基主要分布在氧化石墨烯的边缘上，羟基和环氧基团主要分布在基面上。其边缘上羧基的部分电离所产生的氧化石墨烯阴离子使得其片层之间能以相互排斥的静电作用形成稳定的氧化石墨烯水溶胶。国外研究人员发现氧化石墨烯可以看成是一种两亲性的柔性分子，因为共轭的六元碳环赋予其憎水性，丰富的含氧官能团使其具有一定的亲水性。由于氧化石墨烯的两亲性性质，使得其能够稳定存在于有机溶剂和水溶液构成的液液界面上[Franklin Kim，Laura J.Cote，JiaxingHuang，Advanced Materials，2010，22，1954-1958]，能够通过固/液界面自组装分散石墨粉末和碳纳米管[Jaemyung Kim，Laura J.Cote，Jiaxing Huang，Journal of theAmerican Chemical Society，2010，132，8180-8186]，还能通过气液界面自组装形成形成氧化石墨烯薄膜[Cheng-Meng Chen，Quan-Hong Yang，et al.AdvancedMaterials，2009，21，3007-3011]，制得的氧化石墨烯薄膜通过还原得到的石墨烯薄膜可以作为优良的导热材料，并且在太阳能电池的透明对电极上也具有极大的应用潜力。总之，界面为氧化石墨烯的自组装提供了理想的平台去构筑多种形式的功能材料。然而，目前对于氧化石墨烯的界面自组装研究主要集中在气/液界面和液/液界面，在固/液界面自组装研究上也大多数也只是针对微观氧化石墨烯片层，而对于氧化石墨烯在固/液界面自组装形成功能纳米宏观结构的研究甚少。

由氧化石墨烯片层组装的水凝胶具有环境友好的特点，可以应用在药物传递和生物组织工程中，在催化、吸附和电化学储能等领域也具有极大的应用潜力。Shi等人报道过通过水热方法进行自组装形成部分还原的氧化石墨烯水凝胶[Yuxi Xu，Gaoquan Shi，et al.ACS Nano，2010，4324-4330]，该凝胶具有较好的机械性能和电化学性能，但是得到该水凝胶的过程涉及高温高压，高温高压虽然能在工业上进行放大，但是无疑是一种非常耗能的操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯水凝胶的固液界面自组装制备方法及应用。该方法过程简单，不需要高温高压等耗能过程，制得的氧化石墨烯水凝胶具有一般水凝胶的性质，含水量在99％以上，具有较好的机械性能，可作为氧化石墨烯的涂料及用于制氧化石墨烯的气凝胶。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种氧化石墨烯水凝胶的固液界面自组装制备方法，其特征在于包括以下过程：

1.将氧化石墨粉与去离子水按照质量比7∶7-1比例加入烧杯中，以超声功率为120～300W进行超声震荡2～10h，得到分散良好的氧化石墨烯水溶液。

2.将多孔阳极氧化铝薄膜或用质量分数为98％浓硫酸和双氧水按体积比3∶1混合液处理的铝片、铝箔或铜片，浸泡在步骤1制的浓度为1～7mg/mL氧化石墨烯水溶液中，在0～80℃温度下浸泡4～168h，在多孔阳极氧化铝薄膜、铝片、铝箔或铜片的表面上则形成氧化石墨烯水凝胶。

以上述方法制备的氧化石墨烯水凝胶的应用，将制得的氧化石墨烯水凝胶在冷阱温度为-57～-61℃下进行冷冻干燥24～48h，得到氧化石墨烯气凝胶；对该氧化石墨烯气凝胶在氩气气氛中，在温度为200～700℃下进行热还原处理2～10h，得到石墨烯气凝胶；另外，氧化石墨烯水凝胶也是氧化石墨烯的一种涂料。

本发明的优点在于，依据本方法制得的氧化石墨烯水凝胶具有一般凝胶的性质，制备方法简单方便，不需要涉及任何高温高压的过程，水凝胶含水质量在99％以上，适合作为涂料涂覆在各种基体上，并且该凝胶的形状易于固定，具有较好的机械性能。也可以通过冻干处理得到相应的氧化石墨烯气凝胶，该气凝胶材料具有微观多孔结构，在吸附和催化方面具有较大的应用前景。对氧化石墨烯气凝胶的热处理还原和化学还原又可以得到石墨烯气凝胶，石墨烯气凝胶具有很好的电化学储能性能。

附图说明

图1为实施例1所制得的氧化石墨烯水凝胶实物照片。

图2为实施例1所制得的氧化石墨烯水凝胶的热重曲线。